[發(fā)明專利]一種復(fù)合材料、其制備方法和水系鋰離子電池

有效

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• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111584841B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳志連;李憶非;李書頂;張旭鋒;王敏剛;王耀國
• 申請（專利權(quán)）人: 寧波鋒成納米科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/60;H01M10/36;C01B25/45
• 代理公司: 北京元周律知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11540
• 代理人: 王聰;張瑩

本申請公開了一種聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料，包括：磷酸鈦鋰聚陰離子化合物；以及包覆在所述磷酸鈦鋰聚陰離子化合物表面上的聚離子液體。本申請還提供了聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料的制備方法以及一種水系鋰離子電池。本申請?zhí)峁┝艘环N高效、簡單的合成方法，通過該方法制備得到的聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料，可作為負(fù)極用于水系鋰離子電池。該負(fù)極材料涵蓋各種聚離子液體/磷酸鈦化合物。該水系電池具有絕對安全(不起火、不爆炸)、環(huán)境友好、成本可控和優(yōu)異的低溫性能等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料、其制備方法和水系鋰離子電池，屬于儲(chǔ)能領(lǐng)域。

背景技術(shù)

水系鋰離子電池是以無機(jī)鹽的水溶液作為電解液的電池體系。既避免了傳統(tǒng)油系鋰電池的有機(jī)電解質(zhì)的易燃問題，又克服了傳統(tǒng)水系電池(如鉛酸電池)的高污染，短壽命的問題。此外，水系鋰離子電池具有對環(huán)境友好、低成本和快充性能好等優(yōu)勢，因而逐漸受到大規(guī)模儲(chǔ)能市場的重視。其中，負(fù)極材料是水系鋰離子電池容量和循環(huán)壽命等性能的重要參數(shù)之一。

迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了磷酸鈦鋰負(fù)極材料用于水系鋰離子電池，但該材料對水溶液中存在的氧氣和氫氧根不穩(wěn)定，因而電池循環(huán)壽命低。此外，在低溫下，鋰離子到達(dá)磷酸鈦鋰負(fù)極以后，在負(fù)極材料內(nèi)部的擴(kuò)散也變得不順暢，從而會(huì)導(dǎo)致磷酸鈦鋰負(fù)極材料的低溫性能很差。低溫性能限制了磷酸鈦鋰負(fù)極在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域及極端環(huán)境中的應(yīng)用，開發(fā)低溫性能優(yōu)異的鋰離子電池是市場的迫切需求。可見，傳統(tǒng)的磷酸鈦鋰聚陰離子化合物負(fù)極理論容量較小，穩(wěn)定性差等缺陷。

針對上述問題，很多科研團(tuán)隊(duì)采用磷酸鈦鋰的碳包覆策略，可從某種程度上提升磷酸鈦鋰負(fù)極材料的穩(wěn)定性，但是碳膜致密包覆層會(huì)抑制電解液中鋰離子與活性電極之間的相互傳輸，這嚴(yán)重阻礙了其容量的發(fā)揮，碳包覆的磷酸鈦鋰聚陰離子化合物負(fù)極低溫性能差，限制了其實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用。

離子液體，又稱為有機(jī)熔鹽，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如液相范圍寬、離子電導(dǎo)率高、不揮發(fā)、不可燃性、電化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性高等。離子液體聚合后所形成的多孔聚離子液體材料兼具常規(guī)聚合物、多孔材料和離子液體的特殊性質(zhì)，比如體積密度低，比表面積大、及高化學(xué)穩(wěn)定性等。此外，高離子密度、高極性、和強(qiáng)靜電場，為聚離子液體的孔道提供了特殊的化學(xué)環(huán)境。因此，我們可以“量體裁衣”定向制備功能化聚離子液體材料。

有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料特別是聚合物/無機(jī)復(fù)合材料兼具有機(jī)物的韌性和無機(jī)物的強(qiáng)度，是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的第一方面，提供了一種聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料，在水系電池中，該聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料的比容量達(dá)到了80mAh/g，低溫性能優(yōu)異，優(yōu)于之前其他磷酸鈦鋰聚陰離子化合物材料在水系電池中的性能。

所述聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料，其特征在于，包括：磷酸鈦鋰聚陰離子化合物；以及包覆在所述磷酸鈦鋰聚陰離子化合物表面上的聚離子液體。

可選地，所述聚離子液體為咪唑類聚離子液體；所述咪唑類聚離子液體的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式如下：

其中，X選自Cl、Br中的至少一種；n＝1～2。

可選地，所述聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料的粒徑為10～50μm。

根據(jù)本申請的第二方面，提供了一種聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料的制備方法，包括：a)使含有烷基硅基咪唑、鹵代腈的溶液反應(yīng)，得到離子液體單體；b)煅燒含有所述離子液體單體和磷酸鈦鋰聚陰離子化合物的混合物，聚合反應(yīng)后，得到所述聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料。在本申請中，通過高溫煅燒，使離子液體單體發(fā)生聚合反應(yīng)，形成的聚離子液體包覆在磷酸鈦鋰聚陰離子化合物表面，從而形成了聚離子液體/磷酸鈦鋰聚陰離子化合物復(fù)合材料。