一種含水固體電解質及其電儲能設備制造技術

本發明專利技術涉及一種含水固體電解質及其所構成的可充電固體電池及電容器，該固體電解質是由具有離子交換能力的天然礦物經離子交換制成，通過控制含水量來提高固體電解質的電導率，從而提高其電池、電容器性能。所構成的電儲能設備主要包括正極、電解質、負極三層，具有離子可逆脫嵌能力的材料即可以作為正極材料，也可以作為負極材料使用。負極材料還可以是金屬單質。經測試所制備電儲能設備具有良好的充放電特性。且這些電儲能設備具有制備工藝簡單、成本低廉、不會燃燒起火的優點，可以廣泛的運用于消費電子、電動車、甚至軍事用途等方面。

An aqueous solid electrolyte and its electric energy storage equipment

The invention relates to an aqueous solid electrolyte and a rechargeable solid battery and capacitor composed of it. The solid electrolyte is made of natural minerals with ion exchange capacity by ion exchange. The conductivity of the solid electrolyte is improved by controlling the water content, so as to improve the performance of the battery and capacitor. The electric energy storage equipment mainly consists of three layers: positive electrode, electrolyte and negative electrode. The materials with reversible ion deblocking ability can be used as either positive or negative electrode materials. The negative electrode material can also be a single metal material. The electric energy storage equipment has good charge and discharge characteristics. And these electric energy storage equipment has the advantages of simple preparation process, low cost, no combustion and fire, which can be widely used in consumer electronics, electric vehicles, and even military applications.

【技術實現步驟摘要】
一種含水固體電解質及其電儲能設備
本專利技術涉及固體電解質電儲能領域。
技術介紹
高容量、低成本、壽命長、安全環保的可充電儲能設備是現代生產、生活的需要，因此這方面的研發極具意義。固體電解質因其穩定安全、不易泄漏、組裝方便的特點而被人們廣泛研究。目前，正在研究的固體電解質包括有很多類型，主要可分為固態聚合物電解質、無機固體電解質、復合聚合物電解質等，在組裝電池時通常都先把固體電解質制備成為絕干物料再進行使用。皂土、凹凸棒土、沸石、蒙脫石等等都屬于無機固體電解質，通常室溫下的以上絕干物料的離子電導率很低，僅為10-7～10-8S/cm，嚴重限制了其應用與發展。可充電水系鋅離子電池成功研發，打破了以往只有無水電解質才能做二次電池電解質的慣例。對比無水有機電解質，水溶液電解質不易燃燒，易制取，成本低。但水系離子電池令研發者頭疼的問題是析氫反應的發生，電池使用一段時間后會鼓包漲氣。同時也存在負極產生晶枝、自腐蝕、鈍化等問題。針對以上情況，本專利技術通過控制含水量及優選離子制備電解質的方法，來提高固體電解質的電導率，避免析氫反應。首次制備了固體鋅離子電池、銅離子電池等新型電池。
技術實現思路
本專利技術主要通過控制含水量來提高固體電解質的電導率，但含水量也不宜過高，含水量過高充電時會出現電解水的情況。之前的研究已經證實膨潤土等具有離子交換能力的天然礦物，其導電能力是因為其所含的離子移位而形成的，含水量提高有利于固體電解質的電導率的提高。利用金屬作為二次電池的負極時須選用在水溶液中優先于氫離子放電的離子所對應的金屬，選用在水溶液中能先于氫離子放電的離子與天然礦物進行離子交換制備其電解質，從而有效避免了析氫反應。所制備的可充電固體電池及電容器主要包括正極、電解質、負極三層，不需要隔膜，也不需要使用粘合劑。所制備的電池、電容器主要是利用金屬離子在正負極之間可逆脫嵌或氧化還原反應來實現電儲能的目的。這些二次電池跟鋰離子電池一樣也可以比喻為搖椅電池，充放電時金屬離子在正負兩極之間來回奔跑。本專利技術首次成功制備了固體鋅離子電池、銅離子電池。從本專利技術的實例中可看到，即使采用電化學性能較差的軟錳礦即β–MnO2作為正極材料，沒有經過壓力成型，所制備的離子電池有的容量可達10.28C/g以上，且循環性能好。而且這些電池、電容器具有制備工藝簡單、成本低廉、不會燃燒起火的優點，可廣泛應用于電子、電動車、軍事、航空航天等多領域。附圖說明圖1為實例1所制得的鋅離子電池cell1在100mA/g下第117次到120次循環的充放電曲線。圖2為實例1所制得的鋅離子電池cell1的循環曲線。圖3為實例1所制得的鋅離子電池cell1在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線。圖4為實例1所制得的鋅離子電池cell2的循環曲線。圖5為實例1所制得的鋅離子電池cell2在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線。圖6為實例2所制得的銅離子電池cell3的循環曲線。圖7為實例2所制得的銅離子電池cell3在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線。具體實施方案實例1:第一步鋅型皂土的制備取5.889克七水硫酸鋅晶體，加入20毫升水溶解，加入16克皂土混合均勻，放入微波爐中,800瓦大火加熱3min，冷卻后用去離子水清洗至無SO42-離子存在，自然晾干至含水量小于37%備用。第二步正極材料的準備為節約成本，以價格最低、但電化學性能較差的軟錳礦即β–MnO2作為正極材料，取MnO2和石墨按8：1（質量比）混合均勻備用。第三步：電池的組裝以鋅片為負極，第一步制備的鋅型皂土為電解質，第二步制備的MnO2為正極，按負極、電解質、正極順序分層組裝，貼合固定，放入塑料袋中密封。該電池記為第一電池cell1,以第一步制備的鋅型皂土為電解質，第二步制備的MnO2同時為正,負極，按負極、電解質、正極順序分層組裝，貼合固定，放入塑料袋中密封。該電池記為第二電池cell2。第一電池cell1在100mA/g下第117次到120次循環的充放電曲線如圖1所示，其循環曲線如圖2所示，在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線如圖3所示。由圖1-3可見所制得的第一電池cell1是可重復充放電，即使以性能較差的軟錳礦為正極材料，沒有經過壓力成型，第一電池cell1容量可達7.5C/g(正極物質質量計算）。200mA/g下循環的充放電的容量為10.28C/g以上（正極物質質量計算）。120次循環后效率仍保持為99.7%。第二電池cell2循環曲線如圖4所示，在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線如圖5所示。由圖4、5可見所制得的第一電池cell1是可重復充放電。即使以性能較差的軟錳礦為正極材料，沒有經過壓力成型，100次循環后效率仍穩定保持為50%。實例2:第一步銅型皂土的制備取5.114克五水硫酸銅晶體，加入20毫升水溶解，加入16克皂土混合均勻，放入微波爐中，，800瓦大火加熱3min，冷卻后用去離子水清洗至無SO42-離子存在，自然晾干至含水量小于36%備用。第二步正極材料的準備為節約成本，以價格最低的軟錳礦即β–MnO2作為正極材料，取MnO2和石墨按8：1（質量比）混合均勻備用。第三步：電池的組裝以鋅片為負極，第一步制備的銅型皂土為電解質，第二步制備的MnO2為正極，按負極、電解質、正極順序分層組裝，貼合固定，放入塑料袋中密封。該電池記為第三電池cell3,以第一步制備的銅型皂土為電解質，第二步制備的MnO2同時為正,負極，按負極、電解質、正極順序分層組裝，貼合固定，放入塑料袋中密封。該電池記為第四電池cell4。第三電池cell3循環曲線如圖6所示，在掃描速率5mv/s時的循環伏安曲線如圖7所示。由圖6、7可見所制得的第三電池cell3是可重復充放電，即使以性能較差的軟錳礦為正極材料，沒有經過壓力成型，第三電池cell3容量為約0.3C/g（正極物質質量計算）。100次循環后效率約為41%。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種含水固體電解質是由具有離子交換能力的天然礦物（如：皂土、凹凸棒土、沸石等）經離子交換制成。/n

【技術特征摘要】
1.一種含水固體電解質是由具有離子交換能力的天然礦物（如：皂土、凹凸棒土、沸石等）經離子交換制成。


2.該固體電解質含有水分，不是絕干物料，通過控制含水量來提高固體電解質的電導率，從而提高其電池、電容器性能。


3.所制備的可充電固體電池及電容器主要包括正極、電解質、負極三層。

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹駿，呂煒，
申請(專利權)人：曹駿，
類型：發明
國別省市：廣西;45