[发明专利]基于亚铁氰化铜正极和吩嗪类有机物负极的水系可充电电池

说明书

本发明属于新能源领域，具体涉及一种基于亚铁氰化铜正极和吩嗪类有机物负极的水系可充电电池。正极采用具有金属有机框架结构的亚铁氰化铜，负极为能够可逆储存阳离子的电活性共轭吩嗪类化合物，支持电解质溶液为具有离子导电性的可溶性盐的水溶液，使用多孔膜或离子交换膜隔开正负极，其充放电过程涉及两种或两种以上阳离子在两极间的可逆转移。该电池体系具有较高的放电电压平台，高比容量、长寿命和绿色环保等优点，可为可再生能源的大规模储电提供一种成本低廉、安全可靠的电化学储能方案。

技术领域

本发明属于新能源领域，具体涉及一种基于亚铁氰化铜正极和吩嗪类有机物负极的水系可充电电池。

背景技术

水系可充电电池由于其高离子电导率、内在安全性和水系电解质的成本优势而受到广泛关注[Nat.Energy 2019,4,495；Chem 2020,6,2442；J.Mater.Chem.A 2020,8,26013；CN 105047933A]。

然而，铅酸电池和镍氢电池等商业化水系可充电电池虽然具有很高的安全性和可靠性，但普遍存在能量密度偏低、循环寿命短和自放电等问题[Nano Res.2020,13,676]。因而迫切需要开发高性能和耐久性的新型水系可充电电池体系。

水系可充电电池的负极材料通常是具有高比容量的金属(如锌和铅)或含金属离子的无机插层化合物。然而，锌负极通常会发生溶解、枝晶生长和寄生副反应，导致循环寿命不高[J.Power Sources 2008,184,610]，而无机插层化合物无论是作为正极材料还是负极材料，都需要选择合适的金属离子作为穿梭离子，以避免副反应的发生[Chem.Rev.2014,114,11503]，而且通常可逆比容量较低。

有机电极材料完全由地球上丰富的元素(比如碳、氢、氧、氮和硫)组成，通常可经由化学反应大规模合成。不仅如此，通过分子结构的理性设计，可以获得高理论比容量和电化学性质或物化性质可调的有机电极材料[Chem.Soc.Rev.2016,45,6345]。大量包含一种或多种不同类型氧化还原活性单元的有机化合物或聚合物(如醌类[Sci.Adv.2018,4,1761]、嗪类[ACS Appl.Energy Mater.2018,1,7199]、酰亚胺类[J.Power Sources 2014,249,367]和硝基自由基[Green Chem.2010,12,1573]等)被开发作为水系可充电电池的电极材料。然而，多数工作中有机电极材料的理论比容量有限，且通常仅使用单一的金属离子作为插层离子，导致工作电压和可达比容量较低，循环稳定性较差。

专利CN1328818C公开了一种混合型水系可充电电池，正极材料为富锂化合物(LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiCo_0.33Ni_0.33Mn_0.33O₂等)，负极材料为碳基材料，该电池体系不仅正负极材料成本较高，而且碳基负极的比容量较低。专利CN108075131B则使用磷酸钛钠化合物代替碳基材料作为负极材料，正极使用Na_yNi_xMn_1-xO₂结构的富钠层状化合物，其电极材料比容量低于100mAh/g，循环性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有使用无机负极材料的水系可充电电池比容量低，循环性能差的问题，提供一种由亚铁氰化铜正极材料和吩嗪类有机物负极材料组成的高比容量的水系可充电电池体系。

该水系可充电电池由正极部分、负极部分、具有离子导电性的水系支持电解质溶液及隔膜组成，所述正极部分包括质量百分比为50～85％的正极活性材料，所述正极活性材料的结构通式为M_xCu_yFe(CN)₆(0x≤2；1≤y2)。

具有金属有机框架结构的亚铁氰化铜由共沉淀法制备得到。