[发明专利]一种氧离子传导型金属-金属氧化物熔盐二次电池及其制备方法

说明书

本发明为一种氧离子传导的新型电池，以相对不活泼金属（例如铜等）的氧化物为正极，活泼金属（如铁，锌等）为负极，以碱金属氢氧化物熔盐作为电解质。放电过程中正极金属氧化物中的氧离子进入电解质，正极被还原为金属单质，氧离子经电解质传输到负极，与负极金属形成氧化物；充电过程与之相反。因此该电池充放电依靠氧离子在正负极之间电解质中迁移实现充放电，正负极金属与氧的结合能差存储电能。该电池的金属材料和电解质来源丰富、价格便宜，电池制作工艺简单，金属电极回收方便，适合大规模储能。

技术领域

本发明属于新能源电化学储能电池技术领域，具体涉及到一种新型的氧离子传导的金属-金属氧化物大规模储能熔盐二次电池的设计制造方法。

背景技术

随着社会发展，人们对能源的需求也在飞速增长，而传统化石能源储量有限，另外燃烧化石能源所产生的温室效应，环境污染等问题日益严峻，能源与环境危机已经成为21世纪人类面临的最大挑战。目前各国都致力于扶持发展太阳能、风能等新能源，然而太阳能风能等具有时间，空间分布不均匀的缺点，对电网冲击很大，弃风弃光现象严重，需要更实用的储能技术，其中电化学储能技术被认为是其中最有前景的一种。

目前研究的化学储能技术中，锂离子电池虽然电压和能量密度很高，但成本太高，且金属锂储量很低，大规模储能带来战略资源紧张的问题。大规模储能需要成本低廉的电池，目前研究中的铁空气电池，成本较低，但缺点是铁空电池一般采用碱性水溶液，铁电极上的水的析氢电位较低，与铁还原竞争，所以铁空气电池的充放电库伦效率很低，而且在低温下铁电极容易发生钝化。另外由于空气电极需要大表面积来吸附氧气会带来一些问题，如吸附二氧化碳导致电解质碳酸化变质，又因为空气电极涉及到动力学非常缓慢的氧析出和氧还原反应过程，导致空气电池的过电位非常大，需要昂贵的贵金属来做催化剂，即使有催化剂，空气电池的过电位依然非常大，电池能量效率较低。另外传统电池的回收困难，电池结构复杂，电池材料种类复杂，电解质具有毒性和易燃性，因此废旧电池处理对环境产生影响，另外回收成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种简单的一种氧离子传导型金属-金属氧化物熔盐二次电池体系，其特点是将具有氧亲和能力高的金属氧化物作为正极，氧亲和能力差的金属作为负极，然后在氢氧化物熔融盐体系电解质中组装成二次电池。在放电过程中氧离子从正极迁移到负极与负极金属结合，充电过程中氧离子从负极迁移到正极，与正极金属结合，本质上是新型一种氧离子传导性二次储能电池，在原理上不同于传统的质子传导和锂离子传导型电池。这种电池容易放大，采用的电极材料储量丰富，产量极大，适合用作大规模储能系统，另外电池结构简单，容易拆卸回收再生。另外本专利提出的电池在高于室温的条件下工作，不同于传统常温下的二次电池，这种相对高温熔盐具有很高的安全性，既不具有易燃易爆有机电解液，也不会着火，即便是出现短路等情况，电池可快速冷却，熔盐凝固将电池断路，避免事故发生。

现有技术中，有一些文献报道使用Cu，Zn等作为电极材料，例如中国专利CN110620270A提出了一种铜锌水溶液体系二次电池。但现有技术与本发明的技术构思不同，现有技术提出的二次电池是以碱性水溶液为电解质，电解质传质方式与本发明的氧离子传质不同，水系电解质的局限性如上所述。水溶液中大量水在负极上的析氢反应会与负极金属还原反应发生竞争。在熔盐体系中水的活度极低，电解水析氢反应被抑制，从而能提高负极的库伦效率，尤其是负极金属为铁时。碱性水溶液会与二氧化碳酸化变质以及水蒸发从而使电解质电阻逐渐增大。另外该现有技术只局限于铜正极和锌负极，本发明提出的氧离子电极体系，负极可以采用铁，锌等多种活泼金属。