一种高能量密度充放电电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池设备技术领域，尤其是涉及一种高能量密度充放电电池。


背景技术：

2.现有高能量密度充电电池技术采用一个隔膜与两个电解液室的结构，负极与正极各在一个电解液室由一个隔膜分离，该电解液室结构使得在选择正极与负极材料时受到很大限制导致电池质量变大、能量密度下降，而电极材料的局限性也大大降低了充电电池的寿命。
3.市场上最普遍的高能电池是锂离子电池，锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，其最高能量密度约为250wh/kg。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以，锂电池长期没有得到应用，随着科学技术的发展，人们对锂电池的不断研究，使得锂电池技术不断成熟，锂电池具有一系列优点，如高低温适应性强，自放电率很低，额定电压高，绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质，使得现在的锂电池已经成为了主流。
4.但是，锂离子电池一个局限是正极材料主要由钴，锰，镍等金属氧化物组成，这些材料质量大，造价高，寿命低。因此，正极材料一直是制约锂离子电池能量密度的因素之一。
5.因此，如何提高锂电池的能力密度，扩大正极材料的选择性，一直是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的第一目的在于提供一种高能量密度充放电电池，该充放电电池扩大了负极材料与正极材料的选择范围，降低了电池电极的成本。
7.本实用新型提供一种高能量密度充放电电池，包括负极、第一正极、第一电解液室、第二电解液室和缓冲电解液机构；
8.所述负极的一端置于所述第一电解液室内，所述第一正极的一端置于所述第二电解液室内；
9.所述第一电解液室、所述缓冲电解液机构和所述第二电解液室依次连接，且所述第一电解液室与所述缓冲电解液机构之间设置有负离子交换膜或正离子交换膜，所述缓冲电解液机构与所述第二电解液室之间设置有正离子交换膜或负离子交换膜。
10.进一步，所述缓冲电解液机构包括多个依次串联的缓冲电解液室；
11.每个所述缓冲电解液室之间设置有正离子交换膜或负离子交换膜；
12.第一个所述缓冲电解液室与所述第一电解室之间设置有负离子交换膜或正离子交换膜；
13.最后一个所述缓冲电解液室与所述第二电解室之间设置有正离子交换膜或负离子交换膜。
14.进一步，所述缓冲电解液机构还包括水解中和室，且所述水解中和室内设置有第二正极；
15.最后一个所述缓冲电解液室与所述水解中和室连接，且其之间设置有正离子交换膜；
16.所述水解中和室与所述第二电解室之间设置有负离子交换膜。
17.进一步，每个所述缓冲电解液室内的电解液为可电离出h

的酸性溶液；
18.优选为氯化氢、溴化氢、硫酸、硝酸、氟化氢中的任意一种或多种。
19.进一步，所述第二电解液室内的电解液为碱性金属溶液。
20.进一步，所述负极的材料为锂金属、钠金属、镁金属、铝金属、硅金属、钾金属、钙金属或锌金属中的任意一种。
21.进一步，所述第一正极和第二正极的材料均为氧气、溴或硫中的任意一种。
22.进一步，所述正离子交换膜(9)为氟磺酸质子交换膜。
23.本实用新型还公开了上述充放电电池的充放电方法，包括放电过程和充电过程，在放电过程中使用h

替代从负极释放出的金属离子与正极材料结合，在充电过程中利用缓冲电解液机构防止h

迁移至第一电解室。
24.进一步，所述放电过程包括：电子从负极流向第一正极，第一电解室中的负极材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解室中第一正极的材料得到电子并与h

结合；
25.其中，第一负离子经负离子交换膜进入第一电解室，h

经正离子交换膜进入第二电解室替代第一正离子与第一正极的材料结合；
26.所述充电过程：电子从第一正极流向负极，第二电解室中的分子失去电子分解得到的h

，第一电解室内电解液电离得到的第一正离子和第一负离子；
27.其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜和负离子交换膜进入缓冲电解液室并结合。
28.进一步，所述放电过程包括：电子从负极流向第一正极，第一电解室中负极材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解室中第一正极的材料得到电子生成oh
‑
；
29.其中，h

和oh
‑
分别经正离子交换膜和负离子交换膜进入水解中和室生成水分子，第一负离子经负离子交换膜进入第一电解室与第一正离子结合；
30.所述充电过程：电子从第二正极流向负极，水解中和室中的分子失去电子得到h

；第一电解室内电解液电离得到第一正离子和第一负离子；
31.其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜和负离子交换膜进入缓冲电解液室并结合。
32.本实用新型的高能量密度充放电电池，与现有技术相比，具有以下优点：
33.本实用新型的高能量密度充放电电池包括负极、正极、第一电解液室、第二电解液室和缓冲电解液机构，其中，第一电解液室、缓冲电解液机构和第二电解液室依次连接，且第一电解液室与缓冲电解液机构之间设置的负离子交换膜仅允许负离子通过；缓冲电解液机构与第二电解液室之间设置有正离子交换膜或负离子交换膜，可允许负离子或正离子通过。该充放电电池在放电过程中，电子由负极流向第一正极，第一电解液室内的负极材料失
去电子得到第一正离子，缓冲电解液室内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解室中第一正极的材料得到电子并与h

结合；其中，第一负离子经负离子交换膜进入第一电解室，h

经正离子交换膜进入第二电解室替代第一正离子与第一正极的材料结合。因此，在放电过程中利用h

替代第一正离子与第一正极的材料结合，进而有效避免了负极产生的第一正离子迁移至第一正极材料表面。而在充电过程中，电子从第一正极流向负极，第二电解室中的分子失去电子分解得到的h

，第一电解室内电解液电离得到的第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜和负离子交换膜进入缓冲电解液室并结合。因此，在充电过程中巧妙利用了第二电解室产生的h

替代负极材料产生的第一正离子与第一正极材料结合成新的分子，并利用缓冲电解液室防止第一正离子与h

混合，进而防止充电过程中产生不需要的负极材料。综上，本实用新型的充放电电池避免了负极产生的金属离子直接跟正极材料结合，而使用第二种正离子h

与正极材料结合，由此扩大了正极及负极材料的选择范围，降低了电池电极成本，提高了充电电池的能量密度，延长了充电电池的使用寿命。
附图说明
34.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本实用新型高能量密度充放电电池第一种实施方式的结构示意图；
36.图2为本实用新型高能量密度充放电电池第二种实施方式的结构示意图；
37.图3为本实用新型高能量密度充放电电池放电过程的的原理图；
38.图4为本实用新型高能量密度充放电电池充电过程的的原理图。
39.附图标记说明：
40.1：负极；2：第一正极；3：第二正极；4：第一电解液室；5：第二电解液室；6：缓冲电解液机构；7：缓冲电解液室；8：负离子交换膜；9：正离子交换膜；10：水解中和室。
具体实施方式
41.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
43.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
44.如图1
‑
2所示，本实用新型提供一种高能量密度充放电电池，包括负极1、第一正极2、第一电解液室4、第二电解液室5和缓冲电解液机构6；所述负极1的一端置于所述第一电解液室4内，所述第一正极2的一端置于所述第二电解液室5内；所述第一电解液室4、所述缓冲电解液机构6和所述第二电解液室5依次连接，且所述第一电解液室4与所述缓冲电解液机构6之间设置有负离子交换膜8或正离子交换膜9，所述缓冲电解液机构6与所述第二电解液室5之间设置有正离子交换膜9或负离子交换膜8。
45.现有技术中，高能量密度充放电电池通常采用一个隔膜与两个电解液室的结构，负极与正极各在一个电解液室由一个隔膜分离，该电解液室结构使得在选择正极与负极材料时受到很大限制导致电池质量变大能量密度下降，而电极材料的局限性也大大降低了充电电池的寿命。针对该问题，本实用新型提供了一种高能量密度充放电电池，该充放电电池包括负极1、第一正极2、第一电解液室4、第二电解液室5和缓冲电解液机构6，其中，第一电解液室4、缓冲电解液机构6和第二电解液室5依次连接，且第一电解液室4与缓冲电解液机构6之间设置的负离子交换膜8或正离子交换膜9；缓冲电解液机构6与第二电解液室5之间设置有正离子交换膜9或负离子交换膜8。该充放电电池在放电过程中，电子由负极1流向第一正极2，第一电解液室4内的负极材料失去电子得到第一正离子，缓冲电解液室7内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解液室5中第一正极2的材料得到电子并与h

结合；其中，第一负离子经负离子交换膜8进入第一电解液室4，h

经正离子交换膜9进入第二电解液室5替代第一正离子与第一正极的材料结合，因此，在放电过程中利用h

替代第一正离子与第一正极的材料结合，进而有效避免了负极1产生的第一正离子迁移至第一正极2材料表面。而在充电过程中，电子从第一正极2流向负极1，第二电解液室5中的分子失去电子分解得到的h

，第一电解液室4内电解液电离得到的第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入缓冲电解液室7并结合，因此，在充电过程中巧妙利用了第二电解液室5产生的h

替代负极材料产生的第一正离子与第一正极2材料结合成新的分子，并利用缓冲电解液室7防止第一正离子与h

混合，进而防止充电过程中产生不需要的负极材料。本实用新型的充放电电池避免了负极1产生的金属离子直接跟正极材料结合，而使用第二种正离子h

与正极材料结合，由此扩大了正极及负极材料的选择范围，降低了电池电极成本，提高了充放电电池的能量密度，延长了充放电电池的使用寿命。
46.在上述技术方案的基础上，进一步，所述缓冲电解液机构6包括多个依次串联的缓冲电解液室7；每个所述缓冲电解液室7之间设置有正离子交换膜9或负离子交换膜8；第一个所述缓冲电解液室7与所述第一电解液室4之间设置有负离子交换膜8或正离子交换膜9；最后一个所述缓冲电解液室7与所述第二电解液室5之间设置有正离子交换膜9或负离子交换膜8。
47.在本实用新型中缓冲电解液机构6具体包括多个依次串联的缓冲电解液室7，并且
每个缓冲电解液室7之间设置有正离子交换膜9或负离子交换膜8，即可允许正离子或负离子通过；第一个缓冲电解液室7与第一电解液室4之间设置有负离子交换膜8，有效避免了第一电解液室4负极材料产生的金属离子的迁移；而最后一个缓冲电解液室7与第二电解液室5之间设置有正离子交换膜9，使缓冲电解液室7或第二电解液室5产生的第二正离子h

可实现在最后一个缓冲电解液室7与第二电解液室5之间的自由移动，进而利用第二正离子h

替代负极材料产生的金属离子与第一正极2材料结合。
48.在本实用新型中多个缓冲电解液室7内可根据具体使用需要设置不同的电解液，即可电离产生不同于负极材料的金属离子即可，并通过在相邻缓冲电解液室7之间设置不同类型的电池隔膜实现该离子的迁移，最终依旧以h

替代负极材料产生的金属离子与正极材料结合。
49.在上述技术方案的基础上，进一步优选地，所述缓冲电解液机构6还包括水解中和室10，且所述水解中和室10内设置有第二正极3；最后一个所述缓冲电解液室7与所述水解中和室10连接，且其之间设置有正离子交换膜9；所述水解中和室10与所述第二电解液室5之间设置有负离子交换膜8。
50.具体地，缓冲电解液机构6还包括其内设置有第二正极3的水解中和室10，放电过程，电子由负极1流向第一正极2；充电过程，电子由第二正极3流向负极1。最后一个缓冲电解液室7与水解中和室10连接，且其之间设置有正离子交换膜9，由此缓冲电解液室7内产生的h

可自由迁移至水解中和室10；而水解中和室10与第二电解液室5之间设置有负离子交换膜8，即第一电解液室4内的负离子可自由迁移至水解中和室10。
51.在上述优选技术方案的基础上，进一步，每个所述缓冲电解液室7内的电解液为可电离出h

的酸性溶液；优选为氯化氢、溴化氢、硫酸、硝酸、氟化氢中的任意一种或多种。
52.可选地，每个缓冲电解液室7内的电解液为可电离出h

的酸性溶液，并且优选为氯化氢、溴化氢、硫酸、硝酸、氟化氢中的任意一种或多种。此外，缓冲电解液室7内的电解液还可以为可电离出非负极1金属离子的溶液。
53.在上述优选技术方案的基础上，进一步优选地，所述第二电解液室5内的电解液为碱性金属溶液。
54.具体地，第二电解液室5内的电解液为碱性金属溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁等可电离出oh
—
的溶液。
55.在上述优选技术方案的基础上，更为优选地，所述负极1的材料为锂金属、钠金属、镁金属、铝金属、硅金属、钾金属、钙金属或锌金属中的任意一种；所述第一正极2和第二正极3的材料均为氧气、溴或硫中的任意一种。
56.具体地，本实用新型中负极1的材料为锂金属、钠金属、镁金属、铝金属、硅金属、钾金属、钙金属或锌金属中的任意一种。第一正极2和第二正极3的材料均为氧气、溴或硫中的任意一种。所述正离子交换膜9为氟磺酸质子交换膜。
57.本实用新型还公开了上述充放电电池的充放电方法，包括放电过程和充电过程，在放电过程中使用h

替代从负极释放出的金属离子与正极材料结合，在充电过程中利用缓冲电解液机构6防止h

迁移至第一电解室。
58.本实用新型充放电电池的充放电方法有效避免了负极1产生的金属离子直接跟正极材料结合，而使用第二种正离子h

与正极材料结合，由此扩大了正极及负极材料的选择
范围，降低了电池电极成本，提高了充放电电池的能量密度，延长了充放电电池的使用寿命。
59.在上述技术方案的基础上，进一步，所述放电过程包括：电子从负极1流向第一正极2，第一电解液室4中的负极材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室7内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解液室5中第一正极2的材料得到电子并与h

结合；其中，第一负离子经负离子交换膜8进入第一电解液室4，h

经正离子交换膜9进入第二电解液室5替代第一正离子与第一正极2的材料结合；
60.所述充电过程：电子从第一正极2流向负极1，第二电解液室5中的分子失去电子分解得到的h

，第一电解液室4内电解液电离得到的第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入缓冲电解液室7并结合。
61.在该充放电方法中，放电过程电子由负极1流向第一正极2，第一电解液室4发生的反应为：
62.o2 4h

4e
‑
＝2h2o 1.20v
63.第一电解液室4中的负极材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室7内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解液室5中第一正极2的材料得到电子并与h

结合；其中，第一负离子经负离子交换膜8进入第一电解液室4，h

经正离子交换膜9进入第二电解液室5替代第一正离子与第一正极2的材料结合。
64.充电过程电子从第一正极2流向负极1，第二电解液室5中的分子失去电子分解得到的h

，第一电解液室4内电解液电离得到第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入缓冲电解液室7并结合。
65.在上述技术方案的基础上，进一步，所述放电过程包括：电子从负极1流向第一正极2，第一电解液室4中负极材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室7内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解液室5中第一正极2的材料得到电子生成oh
‑
；其中，h

和oh
‑
分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入水解中和室10生成水分子，第一负离子经负离子交换膜8进入第一电解液室4与第一正离子结合；
66.所述充电过程：电子从第二正极3流向负极1，水解中和室10中的分子失去电子得到h

；第一电解液室4内电解液电离得到第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入缓冲电解液室7并结合。
67.如图3
‑
4所示，在该充放电方法中，放电过程电子由负极1流向第一正极2，第一电解液室4发生的反应为：
68.o2 h2o 4e
‑
＝4oh
‑
0.40v
69.第一电解液室4中负极1材料失去电子得到第一正离子；缓冲电解液室7内电解液电离得到第一负离子和h

；第二电解液室5中第一正极2的材料得到电子生成oh
‑
；其中，h

和oh
‑
分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入水解中和室10生成水分子，第一负离子经负离子交换膜8进入第一电解液室4与第一正离子结合。
70.充电过程电子从第二正极3流向负极1，水解中和室10中的分子失去电子得到h

；
第一电解液室4内电解液电离得到第一正离子和第一负离子；其中，第一正离子接受电子成为负极材料，h

和第一负离子分别经正离子交换膜9和负离子交换膜8进入缓冲电解液室7并结合。
71.实施例1
72.负极1的材料为锂金属，第一正极2的材料是氧气，第一正离子为锂离子，第二正离子为h

。
73.放电过程中，第一正极2的材料氧气分子接受电子与水反应生成oh
‑
，h

从缓冲电解液室7进入第二电解液室5与oh
‑
结合生成水分子。
74.o2 h2o 4e
‑
＝4oh
‑
0.40v
75.现有技术中的锂
‑
空气电池是将锂离子与氧气直接结合生成锂氧化物，而锂氧化物非常不稳定，导致正极材料在充电时充电效率低、寿命短。而本实用新型的充放电电池完全解决了该问题。此外，现有技术的金属
‑
空气电池会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸离子，进一步生成碳酸金属化合物阻止反应继续，而在本实用新型的设计中金属离子与碳酸根离子通过电池隔膜隔离，避免了碳酸金属化合物的生成。
76.放电过程中，第二电解液室5内还可以发生如下反应：
77.o2 4h

4e
‑
＝2h2o 1.20v
78.h 由缓冲电解液室7进入第二电解液室5，与氧气、电子反应生成水分子。
79.实施例2
80.负极1的材料为钠金属，第一正极2的材料是氧气，其他同实施例1。
81.实施例3
82.负极1的材料为镁金属，第一正极2的材料是氧气，其他同实施例1。
83.实施例4
84.负极1的材料为铝金属，第一正极2的材料是氧气，其他同实施例1。
85.实施例5
86.负极1的材料为硅金属，第一正极2的材料是氧气，其他同实施例1。
87.实施例6
88.负极1的材料为锌金属，第一正极2的材料是氧气，其他同实施例1。
89.实施例7
90.负极1的材料为锂金属，第一正极2的材料是溴分子，其他同实施例1。
91.本实用新型为验证所设计新型充放电电池的充放电效果，对实施例1
‑
7所设计的充放电电池进行了能量密度的测试，测试结果如表1所示。
92.表1实施例1
‑
7所设计充放电电池的能量密度
[0093][0094]
由表1可知，本实用新型实施例1
‑
7所制备的充放电电池的能量密度均得到了大幅度提高。因此，本实用新型的充放电电池扩大了负极材料及正极材料的选择范围，降低了电池电极的成本，提高了充电电池的能量密度，延长了电池的使用寿命。
[0095]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。