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一种阴阳离子接力存储的二次电池及其制备方法和应用

成果类型:: 发明专利

发布时间: 2023-10-17 16:09:01

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-10-31 10:29:08
本发明属于电池技术领域,公开了一种阴阳离子接力存储的二次电池及其制备方法和应用。该二次电池包括正极、负极、电解液和隔膜;正极包括正极集流体和位于正极集流体表面的正极活性层;正极活性层包括正极活性材料;正极活性材料包括同时具备阴离子和阳离子存储能力的有机电极材料和/或无机电极材料。本发明二次电池中的正极材料兼具阴阳离子存储活性位点,从而拓宽二次电池电压窗口,进而提升二次电池比容量及能量密度、循环性能。
1.一种二次电池,其特征在于,包括正极、负极、电解液和隔膜; 所述正极包括正极集流体和位于所述正极集流体表面的正极活性层; 所述正极活性层包括正极活性材料; 所述正极活性材料包括同时具备阴离子和阳离子存储能力的有机电极材料和/或无机电极材料。 2.根据权利要求1所述的二次电池,其特征在于,所述有机电极材料选自聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、共轭稠环化合物及其聚合物、聚苯胺及其衍生物、聚咔唑及其衍生物、聚吩噻嗪及其衍生物、聚苯及其衍生物、聚吩嗪及其衍生物、聚吩噁嗪及其衍生物、四甲基哌啶氧化物及其衍生物、共价有机框架材料、金属有机框架材料、兼具n型官能团和p型官能团的有机小分子或聚合物有机材料中的至少一种。 3.根据权利要求2所述的二次电池,其特征在于,所述n型官能团选自羰基、酯基、酸酐基、酰亚胺、二硫键、亚胺、腈基、偶氮基、硝基、烯基、炔基、芳香基中的至少一种;所述p型官能团选自硫醚、氨基、仲胺基、叔胺基、烷氧基中的至少一种。

目前,商业锂离子电池仍面临着低比容量、低倍率、原料资源有限和高成本等问题。锂离子电池“摇椅式”的阳离子存储机制表明其能量密度的改善取决于正极含锂材料的特性,而目前广泛使用的正极材料的实际容量已经接近其理论极限,无法满足日益增长的锂离子电池高容量需求。因此从存储机制的角度突破容量限制或许行之有效。与锂离子电池“摇椅式”的阳离子存储机制不同,双离子电池基于电解液中阴阳离子分别在电池正负极发生氧化还原反应的存储机制,其具有高工作电压、优异的安全性和环境友好、低成本等特点,具有很好的应用前景。然而双离子电池仍存在比容量和能量密度低、循环性能差等问题,制约了双离子电池的商业化应用,因此开发高比容量正极阴离子存储材料将有助于解决双离子电池所面临的问题。但与锂离子电池所面临的困境类似,双离子电池中高容量正极阴离子存储材料的探索也遇到了瓶颈,因此从开发离子存储材料的角度去解决当前锂离子电池和双离子电池所面临的问题并没有明显的效果。

因此,亟需提供一种新的二次电池,解决现有技术锂离子电池或双离子电池普遍存在的电容量低、循环性能差等问题,是十分有必要的。

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相对于现有技术,本发明的有益效果如下:

(1)本发明所述二次电池中的正极材料兼具阴阳离子存储活性位点,从而拓宽二次电池电压窗口,进而提升二次电池比容量及能量密度、循环性能。本发明提出阴阳离子接力存储的新型二次电池的离子存储机制包括双离子存储机制和摇椅式离子存储机制:充电时,阴阳离子分别存储在正负极,首次放电时,阴阳离子分别从正负极脱出回电解液;进一步放电时,负极金属离子经电解液迁移到正极,充电时,正极中金属离子经电解液沉积回负极。

(2)本发明能够有效解决金属离子电池比能量提升困难、成本高以及双离子电池比能量低、正极材料有限等问题,综合了锂离子电池和双离子电池的优点,通过构建阴阳离子接力存储的新型二次电池实现了连续的双离子存储和摇椅式阳离子存储的新型储能机制,此机制有以下优点:(1)兼具锂离子电池高容量和双离子电池高电压平台的优势;(2)进一步拓宽了电池的电压范围;(3)在相同电解液及电极材料用量的情况下,电池可以实现更好地性能,从而极大降低储能成本。

技术合作

以上所述仅为本发明的较好的实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。