[发明专利]一种水溶液可充锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属电池和电容器技术领域，具体涉及一种新型的水溶液可充锂离子电池。

背景技术

化学电源是将化学能转化为电能的装置。随着社会的发展和人民生活的提高，化学电源的用途越来越广泛，在各种的电子设备、医疗保健、交通运输和国防建设中的重要性也越来越大。常用的化学电源有一次电池、二次电池和燃料电池，如锌锰原电池、铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、氢氧燃料电池等。其中一些电池是采用水溶液做电解质，而有些电池是用有机液体作电解质。水系电池的安全性能好，水溶液的电导率比非水溶液大，可以高速率充放电，此外，水对环境没有污染。有机电解液具有宽的电化学窗口，可以得到高电压的单体电池，从而提高电池的比能量。目前商业化锂离子电池就是采用有机电解液，其正极和负极采用锂离子的嵌入化合物，典型的是用LiCoO₂作为正极，用碳材料作为负极。当充电的时候，锂离子从正极脱出，通过电解液，嵌入负极材料中；放电的时候，过程正好相反。这种电池具有高的单体电压和高的比能量，现在广泛用于便携式的电子设备中，如手机、笔记本电脑和数码相机中。但是这种电池制备过程比较复杂，装配电池需要无水环境，成本高，同时由于采用有机电解液，在使用中存在着安全隐患。为了解决锂离子电池的缺点，加拿大的Moli Energy公司提出了水系可充电池(国际专利号WO 95/21470)，其原理与锂离子电池相同，规定电池的正负极均采用锂离子嵌入化合物，如LiCoO₂、LiMn₂O₄、VO₂等。但是其性能较差，比容量小，尤其是电池的循环性能差，不能实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种循环寿命长、功率大、成本低、容量高的水溶液可充锂离子电池。

本发明的发明人通过广泛深入的研究，结果发现采用Li_1+aV₃O₈(0≤a≤1)系列化合物作为负极、Li_1+xMn₂O₄(0≤x≤1)系列化合物作为正极，以含锂化合物的水溶液作为电解质，可组成一种新型的高性能水溶液可充锂离子电池。该水溶液可充锂电池，其循环寿命长、功率大、成本低、容量高，而且对环境友好。具有广泛的用途，可用作大型的储能系统；用于各种便携式的电子设备和家用设备；用做各种动力装置的电源。

本发明提供的水溶液可充锂离子电池，该电池的结构与现有的有机体系锂离子电池的结构类似，主要由正极、负极、隔膜和作为电解质的含锂化合物的水溶液组成。

本发明中所述正极的活性材料为尖晶石型锂锰氧化合物或其金属或非金属元素的掺杂材料，其组成可表示为Li_1+xMn_2-yM_yO_4-zN_z(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)。其中M代表掺杂的一种金属元素或多种金属元素，N代表掺杂的一种非金属元素或多种非金属元素。正极材料中还可以加入适量的电子导电材料(如石墨、碳黑、乙炔黑、金属粉末或其它导电的材料等)和粘结剂(如PVDF、聚四氟乙烯、纤维素、水溶性橡胶等)。上述材料混合可以制成一定黏度的浆料。把该浆料涂布在电极的集流体上，得到正极膜。各组分的用量配比按重量计为：活性材料∶电子导电材料材料∶粘结剂＝80-90∶10-15∶5-10。

本发明中所述负极的活性材料采用锂钒氧化物或其金属或非金属元素的掺杂材料。其组成可表示为Li_1+aMbV_3-bO_8-cN_c(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1)，其中M代表掺杂的一种金属元素或多种金属元素，N代表掺杂的一种非金属元素或多种非金属元素。为了提高电极的电子导电性，也可以加入适量的上述电子导电材料，再混以上述粘结剂，制成浆料，涂布在电极的集流体上，得到负极电极膜。各组分用量配比按重量计为：活性材料∶电子导电材料∶粘结剂＝80-90∶10-15∶5-10。