大容量、高能量密度、高功率可逆锂/氯电池系统

本发明一般涉及可充电电池系统，更具体地说，本发明提供了一种大容量、高能量密度、高功率可逆锂/氯(li-cl2)电池，其中有可逆卤间键形成。背景技术：：：1、至今，面对电动汽车和低价间歇性可再生能源储能需求不断增加的市场，由于高能量密度和高功率密度，锂离子电池(lib)成为领先的储能系统。进一步提高lib能量密度的替代方法已被深入研究。原则上，卤素氯、溴和碘都适用于高能电池，因为卤素的转化反应允许大量电荷转移。此外，这些材料丰富且价格低廉，成为强有力的竞争对手。溴和碘已被广泛研究1-5。2、此外，由于优越的电压(约3.8v)和理论容量(756mah g-1)，基于cl-/cl0的阴离子氧化还原反应的锂/氯转换电池极具吸引力。然而，在基于有机电解质的锂离子电池中还没有开发出氧化还原活性和可逆的氯阴极。原因如下：(1)在电解质中应含有丰富cl-离子且具有高度流动性；(2)由于通过离子键结合的氯离子在电解质中的溶解性差，许多含cl的电极是不可氧化的，这对氧化还原反应施加了热力学屏障；以及(3)需要通过使用吸附剂和/或化学/物理固定剂将游离氧化的cl0结合到电极-电解质界面，否则将产生氯气，导致不可逆性。通常，热力学不稳定的气态cl2被用作阴极6-7，因此不能在电极上放电，这对电池的一般用途构成了显著的限制。从这些方面来看，可逆氯阴极市场尚未完全发展，但仍处于初级阶段。3、石墨已被用作锚定材料，在其他卤素离子帮助下稳定cl08-9。电池中可逆cl0/-1反应的另一个例子是在碳主体中的第一次放电期间从电解质中沉积无机氯化合物10。薄无机氯化物层的形成对可逆性至关重要，但它是相对惰性的，不能完全释放cl0/-1反应能力。此外，cl0/-1的可逆反应需要一种中间材料，这在一定程度上限制了氯阴极的前景。4、因此，需要开发一种具有不含中间体的可逆氯阴极并能够释放cl0/-1反应能力的电池。本发明解决了这一需求。5、以下参考文献列表列出了本节中提及的文献，其全部内容通过引用并入本文：6、1.ma，j.，liu，m.，he，y.&zhang，j.。可充电电池中的碘氧化还原化学(iodineredox chemistry in rechargeable batteries)。angew.chemie.7、2.li，p.等人，用于长寿命li-i2电池的高热/电化学稳定的高i含量i-/i3-键合有机盐(hig/mly thermally/electrochemically stable i-/i3-bonded organic saltswith highi content for long-life li-i2 batteries)。adv.energy mater.2103648(2022)。8、3.wang，f.等人，长时间循环耐久性钠碘电池的完全共轭酞菁铜金属有机框架(fully conjugated phthalocyanine copper metal-organic frameworks for sodium-iodine batteries with long-time-cycling durability)。adv.mater.32，(2020)。9、4.zou，y.等人，通过可逆i-/i2/i+转换实现的四电子zn-i2水电池(a four-electron zn-i2aqueous battery enabled by reversible i-/i2/i+conversion)。nat.commun.12，1-11(2021)。10、5.huang，z.等人，用于高压水性可充电电池的含小偶极分子的电解质(small-dipole-molecule-containing electrolytes for high-voltage aqueous rechargeablebatteries)。adv.mater.34，2106180(2022)。11、6.manthiram，a.对锂离子电池正极化学的反思(a reflection on lithium-ionbattery cathode chemistry)。nat.commun.11，1-9(2020)。12、7.carr，p.，symons，p.c.&aller，d.j.基于储水器的运行锌氯电池(operationalzinc chlorine battery based on a water store)。1979年。13、8.yang，c.等人，通过卤素转化实现的水性锂离子电池-石墨中的嵌入化学(aqueous li-ion battery enabled by halogen conversion-intercalation chemistryin graphite)。nature 569，245-250(2019)。14、9.guo，q.等人，水性双离子电池石墨阴极中i-cl间卤素的可逆插入(reversibleinsertion of i-cl interhalogen in a graphite cathode for aqueous dual-ionbatteries)。acs energy lett.6，459-467(2021)。15、10.zhu，g.等人，可充电na/cl2和li/cl2电池(rechargeable na/cl2 and li/cl2batteries)。nature 596，525-530(2021)。技术实现思路1、本发明提供一种卤素间化合物三氯化碘(icl3)阴极来解决这些问题，以及制备这种卤素阴极的方法。2、在第一个方面中，本发明提供一种高容量、高能量密度和高功率可逆的锂/氯(li-cl2)电池系统。该系统包括卤素基阴极、阳极、放置在卤素基阴极和阳极之间的隔板、以及设置在卤素基阴极和阳极之间空间中的有机电解质。3、在一个实施例中，所述基于卤素的阴极包括至少一种卤素间化合物，所述卤素间化合物包括静态吸附到多孔主体电极的氯。多孔主体电极包含至少一种多孔材料、多个导电颗粒、粘合剂和集电器。4、在一个实施例中，可逆锂/氯电池在425至1250ma g-1的电流密度下提供至少200mah g-1的电容量、范围750-1100wh kg-1的能量密度和范围1400-4500wh kg-1的功率密度。5、在一个实施例中，cl-离子部分溶解在有机电解质中，cl0离子通过与i形成卤间键而被有效地化学锚定，从而以高度可逆的方式进行cl0/-1反应。阴离子氧化还原反应将实现比典型的过渡金属氧化物阴极更高的容量，提供一种低成本的化学物质来提高锂离子电池的储能能力。6、在一个实施例中，阳极包括锂板或锂箔。7、在一个实施例中，所述至少一种多孔材料包括活性炭(yp50)、模板化碳、碳化物衍生碳、碳纳米管、碳气凝胶、碳洋葱、石墨烯和碳纳米纤维。8、在一个实施例中，所述至少一种卤间化合物包含三氯化碘(icl3)。9、在另一个实施例中，有机电解质包括一种或多种具有或不具有添加剂的混合溶剂。10、优选地，所述有机电解质为选自单甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚的醚类电解质，或按体积比1∶1/1∶2/1∶3/1∶4在充满氩气气氛的手套箱中混合。11、在又一个实施例中，有机电解质还含有一种或多种锂盐作为溶质。一种或多种锂盐选自litfsi、liotf、lipf6、liclo4、libf4、liasf6和lidfob。12、在另一个实施例中，添加剂包括lif、lino3、碳酸亚乙烯酯(vc)、乙烯基碳酸亚乙酯、碳酸烯丙乙酯或双草酸硼酸锂。13、在一个实施例中，所述集电器选自碳布、碳纸、石墨纸、ti箔/网和不锈钢，其可以用高价态氯稳定。14、在一个实施例中，所述多个导电颗粒包括碳纳米管、石墨烯、导电炭黑、super p、乙炔黑和碳纳米纤维。15、在一个实施例中，粘合剂包括苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)和聚偏二氟乙烯(pvdf)。16、在一个实施例中，隔板包括聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(pp/pe/pp)隔板、聚四氟乙烯(ptfe)、聚氯乙烯(pvc)和聚酰胺(pa)。优选地，所述隔板是多层隔板。17、在第二个方面中，本发明还提供一种构建卤素阴极的方法，包括：18、步骤(a)：将至少一种具有大brunauer-emmett-teller(bet)表面积的多孔材料、多个导电颗粒以及粘合剂在溶剂中混合以形成第一混合物；步骤(b)：将第一混合物涂覆到集电器上，并在真空烘箱中干燥以构建多孔主体电极；以及步骤(c)：将多孔主体电极和icl3密封在充满氩气气氛的玻璃反应器中，12至24小时后通过静态吸附获得icl3阴极。19、在一个实施例中，bet表面积在1500m2g-1至2000m2g-1的范围内。20、在一个实施例中，多孔主体电极包括还原氧化石墨烯、活性炭、空心碳球和碳布。21、通过从icl3阴极减去多孔主体电极的质量来测量icl3负载量，高达30wt％至90wt％。22、本发明具有以下优点：23、(1)本发明首次在有机电解质中开发氧化还原活性和可逆的氯阴极。24、(2)icl3作为多氧化还原卤素阴极在不使用任何中间材料的情况下表现出高可逆性。25、(3)icl3的丰富化学性质使其能实现多电子反应，从而实现高容量。特别地，icl3阴极表现出杰出的性能，在425ma g-1下具有302mah g-1的比容量(基于本文中的icl3质量，除非另有规定)和优异的倍率能力(在1250ma g-1时保持73.8％的容量)，这激发了高能量和高功率可充电li-cl2电池的高性能正极的开发。26、(4)由于具有理论容量大、天然丰度高和成本低的特点，基于转化化学cl2/cl-的阴极材料是经济的。当前第1页12当前第1页12