水系卤素-氢气电池

本公开涉及电化学储能，具体涉及一种水系卤素-氢气电池。

背景技术：

1、随着能源需求的飙升和环境的恶化，对锂离子电池以外的高安全性和低成本电池的开发变得越来越重要。针对于此，水系电池由于其环境友好性和其固有安全性而成为一研究热点。其中，水系氢气电极由于发生的析氢和氢气氧化反应的稳定性和快速的动力学吸引了研究者的目光。氢气电极的优越性促使研究者对于性能更加优异的正极选用的材料进行探索。

2、卤素由于来源丰富，快的电化学反应被认为是有前途的电极材料。在相关技术中公开了一种水系卤素-氢气电池，正极侧主要实现了卤素碘和溴从-1价到0价的转变。然而，卤素具有的多价态决定了它们理论的比容量不限于此。特别是碘，由于其固态的性质而更适合作为电极材料。为了充分发挥碘的理论容量，已经有一系列针对于碘的高价态化合物(io4-，io3-等)可逆电化学转化的研究，但是在可逆电化学领域的应用上收效甚微，其主要原因是碘单质到此类物质的氧化还原反应涉及到多电子的转移，其动力学是十分缓慢的，导致此类化合物具有较差的可逆性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出构建一种水系卤素-氢气电池，将氯气的氧化还原反应(cl-/cl2)以及碘元素的0、+1、+3价态反应(i0/icl2-/icl4-)运用到氢气电池体系，能够实现可逆电化学转化，有助于提升水系氢气电池的输出电压和能量密度。

2、为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种水系卤素-氢气电池，包括：酸和氯盐的水溶液组成的电解液；正极，包括吸附性材料，用于在其与电解液界面进行碘的不同价态之间的氧化还原反应，以及氯的不同价态之间的氧化还原反应，上述碘的不同价态包括icl2-或icl4-；负极，用于在其与电解液界面进行h2o或h+到h2的氧化还原反应，其上承载有催化剂；隔膜，设于正极与负极之间。

3、在本公开的实施例中，碘的不同价态还包括i-、i3-、i2中的至少一种，氯的不同价态包括cl-和cl2中的至少一种。

4、在本公开的实施例中，氯盐的浓度为0.5-20mol/kg，酸的浓度为0.5-15mol/l。

5、在本公开的实施例中，吸附性材料包括：碳材料、多孔材料、金属/非金属电极、导电聚合物或fto、ito导电玻璃中的一种和碘单质的混合物，其中，碘单质的质量分数为20％-50％。

6、在本公开的实施例中，酸包括盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、柠檬酸中的至少一种。

7、在本公开的实施例中，氯盐包括氯化胆碱、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丙基氯化铵、四丁基氯化铵、氯化铵、氯化钾、氯化锂、氯化钠中的至少一种。

8、在本公开的实施例中，碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、碳布、碳纸、碳微米或纳米纤维、碳毡、石墨毡，以及其杂原子处理改性物中的至少一种；金属/非金属电极包括金电极、铂电极、玻碳电极中的至少一种；多孔材料为金属有机框架、共价有机框架、普鲁士蓝衍生物中的至少一种；导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)中的至少一种。

9、在本公开的实施例中，负极为集流体，集流体是承载催化剂的载体。

10、在本公开的实施例中，催化剂包括贵金属材料、非贵金属材料或碳材料中的至少一种。

11、在本公开的实施例中，电池的结构包括扣电电池、圆柱型电池或液流电池。

12、从上述技术方案可以看出，本公开提供的水系卤素-氢气电池至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

13、根据本公开的实施例，在本公开的水系卤素-氢气电池中，正极采用电化学活性较好的吸附性材料。正极上的碘借助与电负性更强的氯离子通过共用电子对形成了卤素互化物。碘正极通过碘-氯卤素互化物的形成，使得碘可以突破原有-1价到0价之间的可逆转化，扩充了碘的放电比容量。

14、具体地，通过电解液中的氯离子的稳定作用和本身不稳定的碘三价离子结合，形成三氯化碘进一步形成了icl4-，和碘正一价离子结合形成了氯化碘进一步形成了icl2-，通过调整电解液中的氯离子和酸性环境的浓度来稳定icl2-、icl4-，从而避免icl2-、icl4-的水解和氧化。碘的可逆反应能突破原有基于-1价和0价之间的反应，实现了碘-1价到+3价的可逆转化，进一步地激发其放电容量，同时正极的吸附性材料能够有效固定一价碘、三价碘等化合物，提高了卤素互化物的稳定性，为碘的可逆氧化还原反应和氯的可逆氧化还原反应提供场所。

15、负极发生快速的析氢反应与氢气氧化反应。正负极所组成的水系卤素-氢气电池更稳定地激活碘的+1、+3价态反应，进一步激发碘的放电容量；对于氯的反应可以有效固定生成的氯气，获得了较高的放电比容量和放电平台。

技术特征：

1.一种水系卤素-氢气电池，包括：

2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述碘的不同价态还包括i-、i3-、i2中的至少一种，所述氯的不同价态包括cl-和cl2中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述氯盐的浓度为0.5-20mol/kg，所述酸的浓度为0.5-15mol/l。

4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述吸附性材料包括：碳材料、多孔材料、金属/非金属电极、导电聚合物或fto、ito导电玻璃中的一种和碘单质的混合物，其中，碘单质的质量分数为20％-50％。

5.根据权利要求1所述的电池，其中，所述酸包括盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、柠檬酸中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电池，其中，所述氯盐包括氯化胆碱、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丙基氯化铵、四丁基氯化铵、氯化铵、氯化钾、氯化锂、氯化钠中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的电池，其中，所述碳材料包括活性炭、石墨、石墨烯、碳布、碳纸、碳微米或纳米纤维、碳毡、石墨毡，以及其杂原子处理改性物中的至少一种；所述金属/非金属电极包括金电极、铂电极、玻碳电极中的至少一种；所述多孔材料包括金属有机框架、共价有机框架、普鲁士蓝衍生物中的至少一种；所述导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的电池，其中，所述负极为集流体，所述集流体是承载所述催化剂的载体。

9.根据权利要求1或8所述的电池，其中，所述催化剂包括贵金属材料、非贵金属材料或碳材料中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电池的结构包括扣电电池、圆柱型电池或液流电池。

技术总结
本公开提供了一种水系卤素‑氢气电池，属于电化学储能技术领域。该水系卤素‑氢气电池包括：电解液、正极、负极和隔膜，其中，电解液是酸和氯盐的水溶液；正极包括吸附性材料，该正极是用来和电解液界面进行碘的不同价态之间的氧化还原反应，以及氯的不同价态之间的氧化还原反应，碘的不同价态包括ICl<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;或ICl<subgt;4</subgt;<supgt;‑</supgt;；负极上承载有催化剂，负极是用来和电解质界面进行H<subgt;2</subgt;O或H<supgt;+</supgt;到H<subgt;2</subgt;的氧化还原反应；以及设于正极与负极之间的隔膜。

技术研发人员：陈维,谢泽辉
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13