[發明專利]水系電池極片材料、水系電池極片及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010736851.8
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111900387B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 閔剛;李憶非;任江濤;王敏剛;王曉東;王耀國
• 申請（專利權）人: 寧波鋒成先進能源材料研究院
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M4/04;H01M10/38
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 王聰

本申請公開了一種水系電池極片材料、水系電池極片及其制備方法與應用，所述水系電池極片材料為固含量為70～90％的粘彈性材料，所述水系電池極片材料的原料中包括質量百分比為50％～95％的活性物質，所述活性物質為聚酰亞胺材料通過將水系電池極片材料制成固含量為70～90％的粘彈性材料，提高了極片材料的面密度及極片質量的均一性，提升了電池性能。

技術領域

本申請涉及一種水系電池極片材料、水系電池極片及其制備方法與應用，屬于水系電池領域。

背景技術

迄今，資源型化石燃料仍然是人類主要的電力供給源。其大量使用造成的碳排放是造成目前地球溫室效應的主要原因。作為重要的解決手段之一，開發利用以太陽能和風能為代表的可再生能源發電已成為當務之急。然而，包括太陽能、風能、潮汐能等在內的這些自然能源是間歇性的，其產生的電能大小嚴重依賴于天氣、季節、時間和地點等自然因素。這些不穩定的電能如果直接并入電網，會嚴重干擾電網的正常運行。大規模儲能系統的采用可以有效地解決這個問題，依靠可再生的自然資源產生的間歇性能源可以通過儲能系統的存儲和釋放接入電網，使用戶端得到穩定、安全、高效的清潔能源。

目前，主要儲能技術有電化學儲能、機械儲能、化學儲能、電氣儲能和相變儲能等。電化學儲能技術與其他儲能方式相比具有效率高、投資少、使用安全、應用靈活等特點，最符合當今能源的發展方向。在各種電化學儲電方式中，二次電池使用與維護最為方便。然而目前成熟的二次電池體系，幾乎都不適合大規模儲能應用。傳統的鉛酸、鎘鎳電池含有大量有害的重金屬元素，大規模應用會在生產和廢棄階段造成嚴重的環境污染，而且對環境溫度要求嚴格，僅適用室內運行環境，使用壽命短，性價比低；鎳氫電池采用了昂貴的稀有金屬，資源與價格上難于滿足大規模儲電的成本要求，且高溫性能差，工作電壓低。全釩液流電池除了采用了貴金屬外，還有昂貴的離子交換膜，正負極電解液存在毒性和腐蝕性，以及能量轉換效率不高等問題；鈉硫電池因為工作溫度極高，價格昂貴，液態硫和金屬鈉也對氧化鋁隔膜具強腐蝕性，容易造成燃燒事故。水系離子電池由于采用中性的鹽水溶液作為電解質，既避免了有機電解質的易燃問題，又克服了傳統水系電池的高污染，短壽命(如鉛酸電池)和價格昂貴(鎳氫電池)的缺點，具有安全、低成本、長壽命、環保可回收等特性，是一種全新的新型電池，也是大型儲能技術要求的理想體系。

目前水系電池的工業化應用較少報道，適合水系電池的新材料更多用于紐扣電池和方殼電池。軟包類水系鋰離子電池的應用還鮮有報道。含有萘環聚酰亞胺類有機材料，已被證明可以在水系鋰離子電池和水系液流電池中工作，該有機材料重復單元中具有一個萘環，和兩個酰亞胺結構與四個羰基官能團。其中羰基官能團具有電化學活性，可吸附和脫附鋰離子從而貢獻容量。與現有使用的水系電池負極材料相比，該類電池負極材料的能量和功率指標都毫不遜色，甚至在成本、低溫性能、過充性能等方面更勝一籌，在水系電池發展中將會是一個大的突破。此外，其價格廉價、原料資源近乎無限，而借助更優化的分子結構設計和正極材料搭配，電池比能量可以取得超過成倍的提高。

隨著儲能電池被廣泛被用于光伏、風電等新能源行業，水系離子電池作為儲能電池具有廣闊的發展前景；在現有水系離子電池的電池極片成型過程中，大都采用拉漿和涂布工藝，生產的極片的活性物質負載量小(0.3～0.5g/cm²)，輔材用量多；現有技術中也存在通過輥壓方式成型，輥壓工藝中，通常先通過輥壓機將原料多次輥壓，然后再與集流體一起進行輥壓，該工藝雖然能達到需要的極片負載量，但是由于在生產操作中黏彈性原料的形狀，重量沒有控制，導致每一個極片的面密度以及壓實密度沒有得到有效的控制，每一個極片的重量有一定差距，導致后續電池穩定性會有一定影響。

發明內容

根據本申請的第一個方面，提供了一種水系電池極片材料，該材料為固含量為70～90％的黏彈性材料，所述水系電池極片材料的原料中包括質量百分比為50％～93％的活性物質，所述活性物質為聚酰亞胺材料。通過將活性物質為聚酰亞胺的水系電池極片材料制成固含量為70～90％的粘彈性材料，提高了極片材料的面密度，實現通過增加電池極片活性物質的負載量的方式提升電池容量。