一种锌离子电池储能器件

本发明涉一种锌离子电池储能器件，属于电化学储能器件制备。

背景技术：

1、人们对环境问题的日益关注，以及减少温室气体排放的需要，使得全球对经济可持续能源储存的需求不断加剧。在储能技术中有物理、化学储能，其中化学储能应用更加广泛，而电化学储能是化学储能中最为普遍的储能装置。随着人们对于电化学储能装置的需求不断提升，高昂的成本、有限的稀有资源、设备的运行寿命以及设备的安全愈发成为人们日益关心的问题。有限的锂资源、高昂的锂矿成本以及设备运行的安全性开始成为制约锂电池储能大规模应用的关键问题：锂矿作为一种不可再生资源，价格十分高昂，目前锂电池应用广泛，出现了许多例“热失控”现象，发生了多起安全事故。

2、由于金属锌资源丰富、价格低廉、安全性高，很多储能电池体系均以锌为电极，如锌空气电池、锌镍电池、锌银电池等。锌空气电池作为一种重要的储能器件，已经取得了一定的研究进展，但仍存在如锌枝晶、锌固化、电极反应速率慢从而导致电池寿命受限、耐久不足等问题。锌镍电池因其放电电压高、电流大等优点受人青睐，但是锌镍电池的自放电率较高，即在未使用状态下的自放电速度较快，这意味着锌镍电池需要更频繁地进行充电以保持其电荷状态，且安全问题仍需解决。例如，存在易燃烧和爆炸、电解液泄露、回收成本高以及对周围环境污染严重等问题。此外，依赖有限的过渡金属镍资源，价格高昂，成本高。锌银电池作为一种二次电池，采用银作为电极材料，具有一定优势的同时，相对于一次性电池或其他二次电池，锌银电池的价格较高，是一种相对昂贵的电池类型，且锌银电池相对较重，能量密度较低，作为储能装置设备复杂，且容易与其他金属反应，锌银电池在与其他金属接触时，可能会发生电化学反应，导致电池性能下降或损坏，从而副反应严重。因此，锌离子电池储能作为一种新兴的技术，虽然已经在实验室阶段取得了很多进展，但要想真正商业化还需要克服许多技术难题，例如：摆脱对稀有资源依赖从而降低成本、提高性能稳定性、提高设备运行寿命和安全性等。

3、靛蓝二磺酸钠作为还原染料靛蓝的衍生物，具有良好的水溶性，极低的价格成本等优点，其现主要应用于氧化还原指示剂、生物染色剂等领域。但靛蓝二磺酸钠鲜有在锌离子储能电池方面的应用。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现今储能电池技术中存在的问题，为此提供一种锌离子电池储能器件，该储能器件具有结构简单、价格低廉、安全性高、可逆性好等优点。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种锌离子电池储能器件，包括正极、负极和电解液，所述负极为金属锌；所述正极为泡沫镍或石墨烯；所述电解液包括溶剂、电解质和活性物质，所述溶剂为水，电解质为锌盐和碱，活性物质为靛蓝二磺酸钠，电解液中碱的浓度为4 mol/l~8 mol/l，锌盐的浓度为0.01 mol/l~0.5 mol/l。

4、作为优选，所述电解液中活性物质靛蓝二磺酸钠的浓度为0.01 mol/l~0.5 mol/l。

5、作为优选，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

6、作为优选，所述锌盐为醋酸锌、氯化锌、硝酸锌中的一种。

7、作为优选，所述负极的形貌为金属片状。

8、作为优选，所述储能器件还包括用于负载正极的正极集流体，所述正极集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种。

9、作为优选，所述储能器件还包括用于装载正极、负极电解液的壳体，所述壳体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

10、作为优选，所述储能器件还包括位于正极和负极之间的隔膜，所述隔膜的材料为聚丙烯膜、聚乙烯膜。

11、在本发明中，锌离子电池储能器件正极电荷存储来源于活性物质靛蓝二磺酸钠氧化还原反应过程的电池类型容量，负极利用锌离子的溶解沉积过程进行储能，负极正极的储能原理如以下公式所示。

12、负极：zn - 2e-+ 4oh-zn(oh)42-。

13、正极：

14、。

15、本发明的有益效果为：

16、1、本发明锌离子电池储能器件结构简单，成本低廉，且靛蓝二磺酸钠在正极得失电子，发生双电子氧化还原反应，使锌离子电池具有十分优异的可逆性，从而有效地降低了储能电池高昂成本的问题，同时大力减少了现有储能电池对稀有资源的依赖，并且大大提高了储能设备的安全性，具有商业化应用的潜力。

17、2、本发明以靛蓝二磺酸钠为活性物质，靛蓝二磺酸钠可以在充放电过程中快速进行氧化还原反应，实现高效的电子传输和离子传导，从而提供可靠的电荷存储和释放能力；并且，靛蓝二磺酸钠具有较高的理论容量，这意味着它能够储存更多的电荷量，这使得它在能量密度方面具有潜力，可以满足高能量需求的应用场景；此外，靛蓝二磺酸钠在多次充放电循环中表现出优异的循环稳定性，它能够经受住长时间的使用，不易发生结构变化或容量衰减，有助于延长电池的寿命和维持稳定的性能，同时其具有较快的电荷传输速度和离子扩散速率，这使得电池可以在短时间内完成充放电过程，提供快速响应和高功率输出能力。靛蓝二磺酸钠在电化学反应中表现出较高的化学稳定性，不易与电解液中的其他成分发生副反应或分解，从而有助于减少电池的损耗和提高系统的可靠性。

技术特征：

1.一种锌离子电池储能器件，包括正极、负极和电解液，其特征在于，

2. 根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述电解液中活性物质靛蓝二磺酸钠的浓度为0.01 mol/l~0.5 mol/l。

3.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述锌盐为醋酸锌、氯化锌、硝酸锌中的一种。

5.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述负极的形貌为金属片状。

6.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述储能器件还包括用于负载正极的正极集流体，所述正极集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种。

7.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述储能器件还包括用于装载正极、负极电解液的壳体。

8.根据权利要求1所述的锌离子电池储能器件，其特征在于，所述储能器件还包括位于正极和负极之间的隔膜，所述隔膜的材料为聚丙烯膜、聚乙烯膜。

技术总结
本发明涉及一种锌离子电池储能器件，属于电化学储能器件制备技术领域。所述储能器件包括正极、负极和电解液，所述负极为金属锌；所述正极为泡沫镍或石墨烯；所述电解液包括溶剂、电解质和活性物质，所述溶剂为水，电解质为锌盐和碱，活性物质为靛蓝二磺酸钠。本发明储能器件结构简单，成本低廉，且具有十分优异的可逆性，从而有效地降低了储能电池高昂成本的问题，同时大力减少了现有储能电池对稀有资源的依赖，并且大大提高了储能设备的安全性，具有商业化应用的潜力。

技术研发人员：杨希川,王瑞
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22