[发明专利]引入竞争型氧化还原反应拓展水系储能器件电压的方法

说明书

本发明公开了一种引入竞争型氧化还原反应拓展水系储能器件电压的方法，属于电化学储能技术领域。在固‑液界面处调控引入更高电位、更具竞争性的氧化还原反应，抑制正负极体系的析氢反应或析氧反应，从而实现工作电位的提高最终拓展水系储能器件的工作电压上限至2.75V，远高于目前现有报道中1.6～2.2V的普遍工作电压上限，提高了能量密度，设计构筑出高效水系储能器件，拓展了水系储能器件的应用。

技术领域

本发明涉及一种引入竞争型氧化还原反应拓展水系储能器件电压的方法，属于电化学储能技术领域。

背景技术

目前，日益严重的能源问题正在成为全世界关注的话题。为了解决目前的能源危机，新型清洁可再生能源包括太阳能、风能、地热能、潮汐能等被广泛关注。由于可再生能源具有间歇性和随机性，需要更加新型高效、安全的储能装置来促进其完全替换传统燃料电池的进程。在众多储能技术中，电化学储能因具有高效、稳定、环保等优点已经引起了大众广泛的关注。由于水系电解液具有稳定性好、无污染、无易燃易爆风险、具有高的离子电导率、生产成本较低等特点，水系储能技术，如超级电容器和水系电池，在大规模储能领域具有十分广阔的应用前景。

但是，受制于1.23V的水分解电压，水系储能器件的工作电压上限难以提高，根据能量密度公式E＝1/2CV²，其面临着能量密度较低的问题，极大限制了其进一步发展。因此在水系储能技术中拓展工作电压以提高器件能量密度是一直以来研究的重点，这也是水系储能技术的难点。

为了通过扩展电压窗口，突破水系储能能量密度低的限制，研究者对于扩展电位也进行了大量探索。如在Adv.Mater.2017,29,1700804工作中，南京理工大学夏晖教授课题组通过对层状氧化锰进行预嵌钠，得到Na_0.5MnO₂电极材料，使氧化锰的电位从原来常用的0.8V扩展到1.3V(vs Ag/AgCl)，最终通过器件优化制备出2.6V高电压窗口的水系储能器件。在ACS Nano,2018,12,8494-8505工作中，韩国基础研究院Lee等人通过对电极表面的特定氧化还原反应控制降低水分解反应的动力学，最终将Mn₃O₄//VO₂器件的电压窗口拓展到2.2V，极大地提升了器件能量密度。

目前人们为拓展水系储能器件工作电压做出大量尝试，但是电压上限仍是水系储能器件发展的一大限制，有待进一步研究。本申请，提供一种引入竞争型氧化还原反应拓展水系储能器件电压的方法。

发明内容

本发明的目的在于突破水系储能器件的工作电压上限低的现状，在固-液界面处调控引入更高电位、更具竞争性的氧化还原反应，抑制正极析氧或者负极析氢，从而实现工作电位的提高最终拓展水系储能器件的工作电压上限至2.75V。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：通过引入固-液界面竞争型氧化还原反应，与原本的水分解反应竞争，抑制水分解。

制备步骤如下：

将正极材料氧化锰与负极材料氧化铁用阳离子交换膜隔开，在正极部分滴入铁氰化钾电解液，在负极滴入亚硫酸钠电解液，封装，构筑双氧化还原电解液的水系储能器件。

所述的正极材料可以是氧化锰纳米片、氧化锰纳米棒或其他形貌氧化锰。

所述的负极材料可以是氧化铁量子点、氧化铁纳米棒或其他形貌氧化铁。

本发明的原理是：水分解电压为1.23V(vs Ag/AgCl)，当电压达到水分解电压时发生水分解反应，使水系储能器件无法正常工作。本方法所用氧化还原电解液具有特定的氧化还原区间，能够引入更高电位、更具竞争性的氧化还原反应，当电压达到水分解电压时，电解液所引入的氧化还原反应能够在电化学过程中与水分解反应进行竞争，使氧化还原物质优先得失电子，从而抑制水得失电子，达到抑制水分解反应，拓展正极、负极电位的目的。