[發(fā)明專利]一種高性能的水溶液鋰離子電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210591434.4
• 申請(qǐng)日: 2012-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN103094628A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張漢平;李成鋼;杜青;孫曉輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/36
• 分類號(hào): H01M10/36;H01M4/58;H01M4/505
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型高性能的水系鋰離子電池。?

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)傳統(tǒng)能源的過度消耗，導(dǎo)致能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重。現(xiàn)在世界上能源的年消耗量折算成石油約80億噸，其中80%為化石燃料。按現(xiàn)在的消耗速度，大約100年至200年后便會(huì)枯竭。因此，新能源、節(jié)能技術(shù)及環(huán)保技術(shù)的綜合高效開發(fā)和利用，已成為十分緊迫的課題。發(fā)展電動(dòng)的汽車勢(shì)在必行，世界各國積極開發(fā)電動(dòng)的汽車，目前作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源主要有二次電池、電化學(xué)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(jī)系鋰離子電池。但從成本、安全性、電池性能及環(huán)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(dòng)汽車動(dòng)力電源的要求。鉛酸電池、鎳氫、鋰離子等二次電池雖有較大的能量密度，單循環(huán)壽命較短，大電流充放電性能差；并且鉛酸電池比能量低，鉛有毒性；現(xiàn)有鋰離子電池由于使用有機(jī)電解液存在安全隱患。現(xiàn)有電化學(xué)雙層電容器雖有長(zhǎng)壽命，高輸出功率，但能量密度偏低。燃料電池成本高而且輸出功率（W/Kg）較小，不能滿足啟動(dòng)、加速和爬坡等問題。?

為解決現(xiàn)有電源的上述問題，加拿大Moli?Energy公司（國際專利號(hào)W095/21470）提出了水系鋰離子電池，基本概念與現(xiàn)有的有機(jī)體系鋰離子電池相似，規(guī)定正負(fù)極均采用鋰離子嵌入化合物，如LiMn₂O₄、VO₂，LiV₃O₈等。但在水溶液中，當(dāng)鋰離子嵌入脫出過程中達(dá)到一定電位時(shí)會(huì)發(fā)生析氫、析氧反應(yīng)，很難找到只發(fā)生鋰離子嵌入脫出而不發(fā)生析氫、析氧的電極對(duì)材料。目前在于水系鋰離子電池中，正極LiMn₂O₄的研究較多，對(duì)其改性后在水溶液中循環(huán)壽命可達(dá)上千次；然而負(fù)極材料的循環(huán)壽命往往都在百次以內(nèi)，所以負(fù)極材料大大限制了水系鋰離子電池的發(fā)展。?

以往的文獻(xiàn)和專利中提到的最具希望的負(fù)極材料當(dāng)屬碳包覆的LiTi₂(PO₄)₃，其與LiMn₂O₄組成的LiTi₂(PO₄)₃∕LiMn₂O₄體系，采用價(jià)格偏貴的鎳網(wǎng)作為集流體，放電電壓約1.5V，高于水的分解電壓1.23V，雖然鋰鹽的加入可以提高水的穩(wěn)定分解電壓，然而水系鋰電池的工作電壓越高，則水的分解問題就越是不可避免。同時(shí)該體系的比容量?jī)H為40mAhg^-1，其大倍率（7C）循環(huán)性能尚可，但是其壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超級(jí)電容器。水系鋰離子電池若要作為動(dòng)力電池使用，必須具備良好的持久放電（小倍率放電）能力，遺憾的是其中、小倍?率循環(huán)性能沒見報(bào)道。這足以說明碳包覆的LiTi₂(PO₄)₃在水性電解液中小倍率循環(huán)性能不佳，因此目前水系鋰離子電池的瓶頸問題在于研究一種更穩(wěn)定的水系鋰電池體系。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有技術(shù)中，水系鋰離子電池作為動(dòng)力電池使用時(shí)，小倍率循環(huán)性能不佳。?

為解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：?

本發(fā)明提供了一種水系鋰離子電池，由正極膜﹑負(fù)極膜﹑介于兩者之間的隔膜及含有陰陽離子并具有離子導(dǎo)電性的電解液組成，?

其中，正極膜采用鋰離子可嵌入和脫出的嵌入化合物，即過渡金屬的氧化物﹑硫化物﹑磷化物或氯化物；負(fù)極膜采用碳包覆嵌入化合物材料C-M_xTiP₂O_7+y，材料中，碳質(zhì)量含量為1%-10%，金屬氧化物M_xO_y質(zhì)量含量為1%-10%；電解質(zhì)中，陽離子為鋰離子，?

碳包覆層既可降低析氫反應(yīng)電位（具體表現(xiàn)為表1中的不同電池體系的充放電效率，已有研究表明水系鋰電池充放電效率之所以很低，其主要原因是水溶液的分解，即析氫析氧反應(yīng)），又可降低TiP₂O₇的衰減，?

金屬氧化物M_xO_y的引入既可以提高材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又能提高材料的倍率容量以及倍率性能，進(jìn)而保證整個(gè)電池體系的循環(huán)性能。?