[發明專利]高容量電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410711151.8
• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN104393264A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 楊成
• 申請（專利權）人: 楊成
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/139
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 李亮;程新敏

技術領域

本發明涉及高分子電池技術領域，尤其是一種高容量電池及其制備方法。

背景技術

大容量電池或二次電池在電子消費品日益豐富的現代生活中，扮演著越來越重要的作用。動力電池則將在交通領域日漸發揮作用，將對優化能源消耗、改善環境質量、促進經濟轉型等方面作出重大貢獻。

以金屬為負極活性材料的可充電池中，鋰、鎂、鋁三種金屬具有極大優勢。鋰、鎂、鋁均屬輕金屬，它們都有很大的電化學活性，標準電極電位分別為：-3.05V、-2.40V、-1.70V；電化學容量分別為：3860?mAh/g、2200?mAh/g、2980?mAh/g（單位質量），或2080?mAh/cm³、3800?mAh/cm³、8100?mAh/cm³（單位體積）。因此，鋰、鎂、鋁三種金屬在新能源電池發展中受到極大的重視。

目前的以鋰為負極活性物的電池實際上是鋰離子電池，其機理是通過鋰離子的穿梭或搖擺作用實現電能的充放，目前鋰離子電池的負極是（含）碳材料，正極是層狀的過渡金屬含氧酸鹽，主要有LiCoO₄、LiMnO₂、LiMnPO₄或其他非計量型化合物。這類正極材料的理論電化學容量均在100-300?mAh/g之間，目前的鋰離子電池并未充分發掘金屬鋰的高容量特征，因此尋找容量更高的正極材料對提高電池容量具有重大意義。

作為電極材料，金屬鎂在成本、安全、環保方面優于金屬鋰，其本身的活性及電化學容量也不錯，同樣受到各方關注。然而，金屬鎂表面容易形成鈍化膜，會阻礙鎂離子的可逆沉積，放電電流一般不大。另外，尋找合適的電解液體系也是鎂電池的一大挑戰。

金屬鋁作為電極材料也有很大的成本優勢，鋁的體積容量更是高達8100?mAh/cm³，遠遠高于其他金屬材料。鋁的確也在空氣電池中發揮了一定作用。然而鋁在水基電解液中存在可觀的析氫反應，妨礙了鋁電池的推廣應用。

O₂作為正極活性物質，電化學容量可達1675?mAh/g（還原到O₂^2-），或3350?mAh/g（還原到O^2-），單質硫（S）的電化學容量為1675?mAh/g，均可作為高容量可充電池的理想正極材料。由于各種技術上的局限，比如單質硫放電產物—多硫化物的溶解等，導致O₂和單質硫的作為電極材料的推廣也受到限制。

發明內容

本發明的目的是：提供一種高容量電池及其制備方法，它容量高、性能穩定，易于生產，成本低廉，以克服現有技術的不足。

本發明是這樣實現的：高容量電池，電池負極的活性物質為金屬鋰、金屬鎂或金屬鋁中的一種或它們的二元或三元合金；電池正極的活性物質為單質硫或單質氧，或單質硫與單質氧的混合物。

高容量電池的制備方法，按重量份數計算，將含有鋰、鎂或鋁的氧化物、氫氧化物或鹽10-90質量份，單質硫10-90質量份，導電劑2-10質量份，10-50體積份溶劑及2-10體積份粘合劑充分混合，得到糊狀電極材料；將糊狀電極材料置于烘箱中，20℃-200℃干燥至恒重；后涂敷或壓實在集流體上，并在電池殼內加工成電池的初始正極及電池的初始負極，電池的初始負極封閉在電池殼內，電池的初始正極與大氣連通；對電池的初始正極及電池的初始負極充電，使電池的初始正極及電池的初始負極中的含有鋰、鎂或鋁的氧化物、氫氧化物或鹽充分電離，分別形成電池正極及負極的活性物質；其中質量份與體積份的比例單位為g/mL。

所述的含有鋰、鎂或鋁的氫氧化物為氫氧化鋰、氫氧化鎂或氫氧化鋁，所述的含有鋰、鎂或鋁的甲酸鹽為甲酸鋰、甲酸鎂或甲酸鋁。

對電池的初始正極及電池的初始負極充電的電流強度為1-1000mA/cm²，充電時間為1-11小時。

由于采用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明克服了直接以金屬鋰、鎂或鋁為負極組裝或生產電池有兩個缺點：1）金屬鋰價格昂貴并且不穩定，導致成本增加且操作不便；2）金屬鎂或鋁表面易形成鈍化膜，導致充放電效率降低甚至失敗。本發明的金屬負極采用在充電過程中產生，由于電池本身的密封性，則不僅可以保護鋰負極，而且鎂、鋁負極表面鈍化膜也可避免；雖然充電分解氫氧化物或鹽，雖然要消耗額外的電能，但是避免了直接使用金屬，整體成本將可能大幅下降。本發明簡單易行、材料來源廣泛、成本低廉，使用效果好。

附圖說明