[發明專利]一種水溶液可充鈉離子電池

無效

• 申請號: 200710042919.7
• 申請日: 2007-06-28
• 公開（公告）號: CN101087018A
• 公開（公告）日: 2007-12-12
• 發明（設計）人: 王高軍;張漢平;趙娜紅;吳宇平
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/58;H01M10/02;H01M10/36
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬電池和電容器技術領域，具體涉及一種新型的水溶液可充鈉離子電池。

背景技術

自日本SONY公司成功推出鋰離子電池以來，鋰離子電池便迅速在電子產品、軍事領域等多方面得到了廣泛的應用，目前正在向汽車工業方面發展，成為電動汽車首選的動力電池。有關鋰離子電池的材料、性能、應用等方面的研究仍然是當今電化學、材料科學和固體物理等眾多領域研究的熱點。但是，現行的鋰離子電池都是采用有機電解液，因而具有內在的不安全性和較低的倍率性能，生產過程中需要嚴格控制水分，此外，鋰離子電池所用的電解液和鋰鹽的價格也比較昂貴。近來，復旦大學吳宇平教授的課題組發展了一種水溶液可充鋰電池(Aqueous?rechargeable?lithium?battery：ARLB)克服了以上的缺點(參見：Gaojun?Wang，Lijun?Fu，Nahong?Zhao，Lichun?Yang，Yuping?Wu，Haoqing?Wu.Angew.Chem.Int.Ed，2007，46：295-297)。由于鈉和鋰處于同一主族，在性質上有許多相似之處，因此，從理論上講，鈉離子也可以用來構造一種“搖椅式”二次電池。這已經為許多學者證實。美國威倫斯技術公司申請了非水體系的鈉離子電池和相應的正負極材料(國際專利號WO02097907)。由于鈉離子電池的原料成本比鋰離子電池低，同時，可以采用分解電壓較低的電解液，因此具有一定的優勢?？梢韵箐囯x子電池一樣用于目前的電子產品，如筆記本電腦、數碼相機、手機等產品，還可以用于衛星、軍艦、潛艇、航空和軍用通訊設備，市場前景廣泛。但是，由于材料、鈉離子的嵌入機理等方面的研究尚不深入，所以鈉離子電池的工業化還需時日。此外，目前所研究的鈉離子電池都是采用有機電解質，在倍率放電等性能方面比較差。

為了克服上述鈉離子電池存在的問題，我們經過研究、探索，發現采用水溶液作為電解質，含鈉的嵌入化合物作為正極和負極材料，可以得到一種新的充放電電池，即水溶液可充鈉電池(Aqueous?rechargeable?sodium?battery：ARSB)。

發明內容

本發明的目的在于使用安全、功率大、循環壽命長的水溶液可充鈉離子電池。

本發明提出的水溶液可充鈉離子電池，其工作原理與現有的鋰離子電池、鈉離子電池和水溶液可充鋰電池(ARLB)的工作原理類似。充電時，鈉離子從正極脫出，然后通過電解液嵌入負極中。放電時，鈉離子從負極脫出，通過電解液嵌入正極中，同時釋放電能。

本發明提出的水溶液可充鈉離子電池，其結構與現有的有機體系鋰離子電池的結構類似，主要由正極、負極、隔膜和具有離子導電性的水溶液組成。

本發明中所述正極的活性物質材料為鈉離子可以嵌入和脫嵌的具有相對高的嵌/脫電位平臺的材料，如：過渡金屬的氧化物、硫化物、磷化物、氯化物或磷酸鹽、硫酸鹽等化合物。優選的非限定性實例有NaMn₂O₄、NaCoO₂、NaNiO₂、NaCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂、NaMnO₂、NaFePO₄、NaV₂O₅或NaVPO₄F等，或其化合物的其它金屬或非金屬元素摻雜材料。正極中還可以加入適量的電子導電材料(如石墨、碳黑、乙炔黑、金屬粉末或其它導電的材料等)和粘結劑(如PVDF、聚四氟乙烯、纖維素或水溶性橡膠等)。上述材料混合可以制成一定黏度的漿料。把該漿料涂布在電極的集流體上，得到正極膜。

本發明中所述負極的活性物質材料為鈉離子可以嵌入和脫嵌的具有相對低的嵌/脫電位平臺的材料如過渡金屬的氧化物、硫化物、磷化物、氯化物或磷酸鹽、硫酸鹽等化合物。優選的非限定性實例有NaV₃O₈、VO₂、MnO₂、NaTiS₂、NaMoS₂、NaMoO₂或NaWO₃等材料，或其化合物的其它金屬或非金屬元素摻雜材料。負極中還可以加入適量的電子導電材料(如石墨、碳黑、乙炔黑、金屬粉末或其它導電的材料等)和粘結劑(如PVDF、聚四氟乙烯、纖維素或水溶性橡膠等)。上述材料混合可以制成一定黏度的漿料。把該漿料涂布在電極的集流體上，得到負極膜。