[发明专利]一种二次电池负极材料

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种二次电池负极材料。

背景技术

当前对于储能技术的需求远远超过人类历史上的任何时候。无论是新能源汽车，还是未来的风能，太阳能电站配套，抑或是城市智能电网削峰填谷等都需要数量巨大的可靠储能技术。

而目前商业化的电池技术主要是古老的，对环境破坏巨大的铅酸电池，新兴的锂离子电池在便携设备上获得了巨大的成功，但在大型化的动力或者储能领域则由于价格，安全等因素被制约。因此发展一种安全，廉价的可充电电池是非常紧迫的课题。

1994年加拿大Jeff Dahn研究小组的Wu Li在SCIENCE杂志发表了一篇以VO₂为负极材料LiMn₂O₄为正极材料和以水溶液作为电解液的文献，该技术开创了水系锂离子电池的先河，但由于锂嵌入型负极材料稳定性问题长期得不到根本解决，经过近20年发展，该类电池仍然无法获得实际应用。

2009年，中国研究人员颜竞(Jing Yan)在专利201010154104.X以及2011年在journal of power sources 2012.05.063中报道了一种以LiMn₂O₄为正极材料，水溶液作为电解液，同时水溶液中的锌离子作为负极活性物质的电池体系(锂-锌电池)，该体系彻底解决了水系锂离子电池的负极稳定性问题，但基本机理的改变也使得该电池不再能被称为水系锂离子电池，而成了一种全新的电池体系，暂且称为颜氏电池。该电池由于使用传统的Zn/Zn²⁺电极，不可避免地面临着锌枝晶的问题，使电池的设计非常困难。

本文所述技术综合了水系锂电池与前述锂-锌电池电池的优点，使用螯合/吸附基团将金属离子进行“固定”，使其在负极材料原位进行氧化还原，表观上看，如果将该材料与LiMn₂O₄这类锂嵌入型正极组成电池，其宏观表现与电池设计将与水系锂离子电池类似，而螯合/吸附型负极又保证了材料的稳定性，解决了Zn2+/Zn电极充放电过程中锌枝晶的问题。

该材料的工作机理是前所未有的，将带来电池技术的一项革命。

发明内容

本发明旨在提供一种二次电池负极材料。

本发明所提出的负极材料具有一种前所未有的充放电机理，金属/金属离子电极已经在过去被广泛研究，例如锂电池中以金属锂作为负极，锌溴电池中以锌作为负极等，该类电极原理上拥有几乎无限的寿命，但由于金属/金属离子在充电过程中枝晶问题，该类电极尽管具有非常优良的电化学性能，却很难在电池工业中获得广泛的应用。

本发明提供了一种二次电池负极材料，可以彻底克服金属/金属离子在充电过程中枝晶问题。

本发明的技术方案如下：

一种二次电池负极材料，它主要由骨架、鳌合/吸附基团和被“固定”的活性物质二价或多价金属离子组成，所述的骨架是有机聚合物，所述的骨架通过化学键将所述的鳌合/吸附基团固定在骨架上，所述的鳌合/吸附基团是包含外层电子具有孤对电子的O、N、P等原子的基团，所述的鳌合/吸附基团可以和所述的活性物质二价或多价金属离子形成离子键或者配位键。

本发明提供的二次电池负极材料骨架本身不参与反应，只是作为一个载体。而鳌合/吸附基团则与载体骨架以化学键连接，螯合/吸附基团本身也不参与电化学氧化还原反应，但是与活性物质金属离子以螯合键或者化学吸附键相连。作为活性物质的金属离子，以螯合或者化学吸附的形式固定在螯合基团上，可以在原位得到电子被还原成更低价态或零价状态。

上述的二次电池负极材料，所述的有机聚合物可以是聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚乙烯或聚丙烯。

上述的二次电池负极材料，所述的螯合/吸附基团可以是亚氨基二乙酸基团，羧酸基团或氨基磷酸基团。

上述的二次电池负极材料，所述的活性物质二价或多价金属离子可以是在水溶液中，电化学氧化还原电位在-1.2V(相对氢标准电极电位)以上的金属离子。

上述的二次电池负极材料，所述的活性物质二价或多价金属离子可以是Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺或V³⁺等过渡金属离子。