專利名稱：基于溴離子傳導的新型儲能電池的制作方法
技術領域：
本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種新型儲能電池。
背景技術：
便宜，環境友好且具有高能量密度的電化學儲存裝置是會被廣泛應用的。從電化學原理上，溴與各種金屬分別作為正負電極都能獲得電勢，組成電池。如鋁鎂在理論上作為正極材料分別有2980Ah/Kg和2206Ah/Kg的高容量，與標準氫電極相比，具有非常低的電勢(分別為-1.66V和-2.37VvsSHE)，基于鋁鎂的電池是非常吸引人的。基于此二者的電池的研究已經很廣泛。但是，在有水的體系中，鋁鎂的侵蝕和氫氣的釋放是無可避免的。在無水體系中，Al3+，Mg2+離子要穿過氧化層遷移到電解液中是很緩慢的，所以鋁鎂電極表現出動力學上的遲緩和不活潑性。這些原因制約了它們的應用。作為比較，不管是一次性的鋰電池或者是可充電的鋰電池的發展都很迅速，部分原因是由于鋰離子能夠快速傳導的特性。
發明內容
本發明的目的在于提出一種基于溴離子傳導的儲能電池，與以前介紹過的靠金屬陽離子來傳導的鋁，鎂等電池體系不同，溴離子扮演了這個傳導者的角色，在無水的鋁，鎂等金屬一次性電池中，它也能產生高電壓和適度的容量性能。
本發明首次發現了含溴(Br)的非水溶液的儲能體系，鋁，鎂等金屬具有非常好的電化學活性，這些金屬能夠與溴組成儲能電池。
本發明中提出的儲能電池，其結構如附圖1，由金屬電極，惰性的碳電極和含溴的非水溶液組成。其中含溴的非水溶液作為電解質溶液，由含溴的乙睛(CH3CN)溶液中加入飽和的KBr組成。一般地，KBr在乙睛中的濃度大于0.01mol/L即達到飽和。其中，在乙睛(CH3CN)中KBr能夠提供移動的Br-離子。Br-離子與金屬發生電化學反應，生成金屬溴化物。非水溶液能夠避免金屬離子與水的反應。
本發明中，金屬電極M，其材料可以是鋁或鎂，也可以采用其它金屬材料，如Li、Cu，Fe，Ni，Zn，Cr，V，Mn等，都具有很好的放電行為。
本發明提出的采用非水溶液的金屬與溴電池的制備方法如下Al，Mg等金屬片M作為一個工作電極，碳片作為參比電極，含溴的無水乙睛(CH3CN)中放入飽和KBr作為電解液，兩個電極都浸沒在此溶液中，構置成M/Br2+KBr+CH3CN/C電池。連接碳電極和金屬電極即得電能。
本發明中電池的測試LAND電池測試系統(CT2001A，武漢金諾電子有限公司)進行。放電條件在室溫下，從電池的開路電位到0.1V。
本發明中的非水溶液下金屬與溴電池具有很好的放電行為。如鋁溴電池和鎂溴電池，可在100～101mA/cm2放電，放電電位分別在1.1V和2.2V以上，它們的放電電位比理論電位低03～0.7V，顯示了極化的存在。在金屬鋁和鎂過量下，以溶液中溴的質量計算，電池的放電容量100~300mAh/g。
電池的交流阻抗譜的測試采用電化學工作站(CHI660A，上海辰華儀器有限公司)。測試發現在放電過程中，交流阻抗是逐漸增加的。這顯示了在金屬電極的電解質生長的過程。
本發明中在非水溶液下鋁溴電池和鎂溴電池，經過放電完畢后，掃描電子顯微鏡(SEM，CambridgeS-360，美國)用于觀測金屬薄膜在反應前后的形貌，發現金屬表面發生了變化，有新的膜層在金屬的表面。
本發明中金屬在電化學反應后的結構由X-射線衍射儀(Rigata/Max-C)確定。X-射線衍射圖譜表明得到的金屬溴化物形成。如鎂溴電池在放電完畢后，XRD證實了在金屬鎂的表面有溴化鎂的存在。
本發明中，在非水溶液下，鋁，鎂等金屬都可以與溴結合生成有效的能量儲存體系。本發明表明陰離子傳導體系(與現在的以陽離子傳導的電池相比)也是一種提供能量儲存的體系。而且，金屬溴化物是溴離子導體。
圖1在含溴的非水溶液中金屬與溴電池的結構示意圖。
圖2Al/KBr+CH3CN+Br2/C電池的放電曲線。
圖3Mg/KBr+CH3CN+Br2/C電池的放電曲線。
圖中標號1為金屬電極，2為碳電極，3為電解液。
具體實施例方式
實施例1一次性的Al/Br2電池無水溶液包括10mlCH3CN+2.1gKBr+0.053mlBr(99.5％)，此溶液包含了活性Br2。鋁片作為工作電極，碳片作為參比電極。在室溫下以LandBT1-40電池測試系統測試電池的放電過程。交流阻抗是用CHI660電化學工作系統在0.01-1M的頻率范圍內于室溫下測試并記錄。如附圖1所示，放電平臺在1.1V以上，在放電電流密度4mA/cm2下，放電容量可達210mAh/g.
交流阻抗譜的測試結果顯示在放電過程中，交流阻抗是逐漸增加的。這顯示了在金屬Al電極上電解質生長的過程。
XRD的結果證實了在金屬Al表面上AlBr3的存在。
SEM顯示了金屬Al的形貌發生了明顯的變化。
實施例2一次性的Mg/Br2電池無水溶液包括10mlCH3CN+3.5gKBr+0.033mlBr(99.5％)，此溶液包含了活性Br2。鎂片作為工作電極，碳片作為參比電極。在室溫下以LandBT1-40電池測試系統測試電池的放電過程。如附圖2所示，Mg/Br2電池放電平臺在2.1V以上，在放電電流密度4mA/cm2下，放電容量可達220mAh/g.
交流阻抗譜的測試結果顯示在放電過程中，交流阻抗是逐漸增加的。這顯示了可能在金屬Mg電極上電解質生長的過程。
XRD的結果證實了在金屬Mg表面上MgBr2的存在。
SEM顯示了金屬Mg的形貌發生了明顯的變化。
權利要求
1.一種基于溴離子傳導的儲能電池，其特征在于由金屬電極、碳電極和含溴的非水溶液組成；其中，含溴的非水溶液由含溴的乙睛溶液中加入飽和的KBr組成，KBr在乙睛中的濃度大于0.01mol/L；金屬電極的材料為鋁、鋰、鎂、銅、鐵、鎳、鋅、鉻、釩或錳。
2.一種基于溴離子傳導的儲能電池的制備方法，其特征在于具體步驟如下將金屬片M作為工作電極，碳片作為參比電極，含溴的無水乙睛加入飽和KBr作為電解液；將兩個電極都浸沒在電解液中，即構成M/Br2+KBr+CH3CN/C電池，其中金屬M為鋁、鋰、鎂、銅、鐵、鎳、鋅、鉻、釩或錳。
全文摘要
本發明屬電化學技術領域，具體涉及一種基于溴離子傳導的新型儲能電池。該電池的鋁、鎂等金屬作為工作電極，以碳作為參比電極，以含溴的乙睛溶液加入飽和的KBr作為電解液。在這個基于溴離子傳導的無水體系中，鋁，鎂等金屬電極都顯示出非常高的電化學活性，具有良好的放電行為，放電密度在10
文檔編號G01N27/403GK1870335SQ20061002569
公開日2006年11月29日 申請日期2006年4月13日 優先權日2006年4月13日
發明者傅正文, 程孫超, 姚佳 申請人:復旦大學