[發明專利]一種高安全性水系有機系混合型鋰離子電池

無效

• 申請號: 201010592947.8
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102055029A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 夏永姚;崔王君
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M4/58;H01M4/38;H01M2/16
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬電池技術領域，具體涉及一種新型高安全性水系有機系混合型鋰離子電池。

背景技術

以化石能源為基礎的經濟發展已不能適應新世紀經濟發展的要求。科學家指出以汽車為中心、用過即棄的經濟模型，不適用于發展中國家，同樣也不再適用于目前有12億人口的富裕工業國家。隨著這種經濟不斷發展，必然引起石油、煤炭等自然資源枯竭、環境污染及地球溫室效應的加重。人類必須把握經濟增長、環境保護和能源供給這三位一體的“三E”之間的平衡關系。現在世界上能源每年的消費量折算成石油約為80億噸，其中90%為化石燃料。按現在的消費速度,大約在100年至200年后便會枯竭。新能源、節能技術及環保技術的綜合高效開發和利用，已成為十分緊迫的課題。發展以二次能源為代表的新能源勢在必行。二次能源電動汽車便是在這種背景下孕育而生，世界各國積極開發電動汽車，現在作為電動汽車的動力電源主要有二次電池、電化學超電容器和燃料電池等，其中二次電池包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池和有機系鋰離子電池。但從成本、安全性、電池性能及環境影響等綜合面來衡量，上述電源中沒有一種電源能滿足電動汽車動力電源的要求。鉛酸蓄電池、鎳氫、鋰離子等二次電池雖有較大的能量密度，但循環壽命較短，大電流充放電性能較差；并且鉛酸電池比能量低，鉛有毒性；現有鋰離子電池由于使用有機電解液存在安全性問題?，F有電化學雙層電容器雖有長壽命，高輸出功率，但能量密度偏小。燃料電池成本高而且輸出功率(W/Kg)較小，不能滿足起動、加速和爬坡的要求等問題。為解決現有電源的上述問題，加拿大Moli?Energy?公司（國際專利號W095/21470）提出了水系鋰離子電池，基本概念與現有的有機體系鋰離子電池相似，規定正負極均采用鋰離子嵌入化合物，如LiMn₂O₄、VO₂、LiV₃O₈、FeOOH等。但在水溶液中，當鋰離子嵌入脫嵌過程中達到一定電位時會發生析氫、析氧反應，很難找到只發生鋰離子嵌入脫嵌而不發生析氫、析氧的電極對材料。而且專利中提到的負極材料循環性能較差，即水系鋰離子電池的循環性很差，往往不能超過幾十次。因此，開發容量與功率性能都滿足電動車需要的混合型里離子電池尤為迫切。

發明內容

本發明的目的在于提出一種循環壽命長、功率大、成本低，而且無環境污染的高安全性水系有機系混合型鋰離子電池。

本發明提出的新型高安全性水系有機系混合型鋰離子電池，由正極膜、負極膜、介于兩者之間的隔膜及含有陰陽離子并具有離子導電性的電解質組成，其中，所述正極膜采用下述水系鋰離子嵌入化合物：過渡金屬的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物；負極膜采用下述有機系鋰離子電池負極材料：石墨，硬碳，硅或硅基材料，錫或錫基材料，或合金材料，或及其它低電位鋰離子嵌入材料；所述電解質為有機系水系分隔的混合電解質，電解質中的傳荷離子為鋰離子。采用含隔水層的鋰離子交換膜分隔有機系水系電解質。

本發明中，正極膜、負極膜的集電體材料可以是金屬鎳、鋁、不銹鋼、鈦等的多孔、網狀或薄膜材料。

本發明提出的可充電池的基本工作原理如圖1所示：對裝成的電池，首先必須進行充電。充電過程中，鋰離子從正極脫出，通過水系電解液、隔膜、有機系電解液，鋰離子嵌入負極。放電過程中，鋰離子從負極上脫出，通過有機系電解液、隔膜、水系電解液電解液，鋰離子嵌入正極。充放電過程，只涉及鋰離子在兩電極間的轉移。因此稱本發明電池為水系有機系混合型鋰離子電池。

本發明采用有機系水系分隔的電解液，在正極部分采用水系電解液，在保證正極工作電壓的同時，提高了正極部分的功率特性，并且采用的水系電解液能避免正極電壓失控時可能發生的有機系電解液燃燒的問題，大大提高了高功率鋰離子電池的安全性能。在負極部分采用有機系電解液，保證了負極在低電壓下工作，維持了鋰離子電池高電壓的特性。在充放電過程只涉及一種離子在兩電極間的轉移，制作工藝雖然較復雜，但是由于新型水系有機系混合型鋰離子電池具有長循環壽命，大功率，安全、低成本和無環境污染的特點。特別適合于作為電動汽車的動力電源。