[发明专利]水系锂离子电池电极及其制备方法、水系锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种水系锂离子电池电极及其制备方法、水系锂离子电池。

背景技术

随着低碳经济的方兴未艾，锂离子电池正朝着动力汽车和电网储能等方向积极发展，开发能量密度高、循环寿命长、高安全、低成本的锂离子电池已成为业界研究的重点。

当前的有机溶剂体系的锂离子电池拥有电压高，能量密度高，循环性能好的特点，在便携式数码产品，如手机，相机，笔记本电脑中得以广泛应用，同时在电动自行车领域上也开始逐渐开始应用，但由于电池里面使用的是有机溶剂，使得电池的安全性一直是影响锂离子电池在动力汽车上的应用，有机溶剂在电池发生短路或过充电等滥用时，容易起火，并有可能爆炸，对使用者的人身安全构成威胁；

近年来，水系的锂离子电池开始研究，水系锂离子电池由于使用的是水作为电解液的溶剂，因此在发生一些滥用时，也不会起火，更不会发生爆炸，是个理想的选择。

目前出现的水系锂离子电池有以下几种：

第一种：对正负极活性材料均采用嵌锂化合物。该水系锂离子电池基本概念与现有的有机体系的锂离子电池相似，将该电池的正负极均采用嵌锂化合物，如LiMn₂O₄、VO₂、LiV₃O₈、FeOOH等。

但是该水系锂离子电池存在如下缺陷：在水溶液中，当锂离子嵌入与脱嵌过程中达到一定电位时会发生析氢、析氧反应，而且很难找到只发生锂离子嵌入脱嵌而不发生析氢、析氧的电极材料，而且所用到的负极材料循环性能较差。

第二种：对负活性材料为核壳结构嵌锂化合物材料。该水系可充电的锂离子电池，正极采用锂离子可脱嵌化合物，如LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄等、负极采用核壳结构的LiTi₂(PO4)₃材料，电解液采用水系电解质。

但是该水系锂离子电池同样存在如下缺陷：采用LiTi₂(PO4)₃作为负极其克容量低（100mAh/g左右），对锂的电位高（约2.5V），导致电池工作电压低，小于2.0V，这样的水系锂离子电池能量密度只有40Wh/Kg左右，因此，限制了应用，如无法应用在电动车上，同时正极活性物质与水接触，导致循环性能变差。

第三种：水系有机系混合型锂离子电池。该水系有机系混合型锂离子电池的正极采用含有锂离子的水系嵌入化合物材料，负极采用有机系锂离子电池负极材料，电解液采用含锂离子的分隔开的有机系、水系电解质，隔膜采用含隔水层的锂离子交换膜。其充放电过程只涉及一种离子在两电极间的转移，仍保持摇椅式锂离子电池的特征，本发明具有高于一般水系锂离子电池的工作电压。

但是该水系锂离子电池仍存在如下缺陷：在实际电池中，较难将正、负两侧的溶液体系完全隔开，一旦隔离不好，水会到负极侧，从而发生还原反应，析氢。

由上述所述，目前的水系锂离子电池中电解液溶剂水由于其分解电位，特别是氢的还原电位相对于锂电位来说高，为保证充放电过程中不析出氢气，电池的充放电电压较低，一般情况下电压范围只在0.8～1.5V之间，电压低，使得电池的能量密度底，很难得以应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能有效阻止水系电解液的析氢和析氧反应的水系锂离子电池电极及其制备方法。

本发明实施例的另一目的在于提供一种电压和能量密度高的水系锂离子电池。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种水系锂离子电池电极，包括

正极或负极集流体；和

正极活性材料层，其结合在所述正极集流体上；或负极活性材料层，其结合在所述负极集流体上；以及

保护层，所述保护层结合在正极活性材料层表面上和正极活性材料层中孔隙壁上或者结合在负极活性材料层表面上和负极活性材料层中孔隙壁上；其中，所述保护层所选用的材料为对电子绝缘而对锂离子导通的含锂离子聚合物。

优选地，上述含锂离子聚合物为聚丙烯酸锂、聚甲基丙烯酸锂、聚乙基丙烯酸锂、聚对乙烯基苯甲酸锂、聚对乙烯基苯乙酸锂、聚对丙烯基苯乙酸锂等中的至少一种。

或进一步优选地，上述保护层的厚度为100～2000nm。