[发明专利]一种水系锂离子二次电池

说明书

本发明公开了一种水系锂离子二次电池，涉及锂离子电池技术领域，以碱性电极为负极，碱性电解质作为负极电解质，离子交换膜作为隔膜，中性电解质作为正极电解质，嵌/脱锂材料为正极；本发明使用碱性的锌电极代替传统的嵌/脱锂的材料作为水系锂离子电池的负极，碱性的锌电极具有更负的电位(‑1.26V vs.SHE，pH＝14)，显著地提升了全电池的电压，可以将水系锂离子电池电压提高到2V以上，从而提升了电池的能量密度，扩大了电池的应用范围。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种水系锂离子二次电池。

背景技术

锂离子电池在动力电池和储能电池领域得以广泛应用。然而，由于锂离子电池通常采用易燃的有机电解质，极大程度影响了电池的安全性。水系锂离子电池使用水系溶液代替传统的锂离子电池中的有机溶液，提升了电池的安全性。此外，水系溶液还具有离子电导率高、环境污染小、制备和封装工艺简单等特点，具有广泛的应用前景。与有机体系类似，水系锂离子电池的正负极反应均为锂离子的嵌入和脱出反应。然而，水的电化学窗口仅为1.23V，这导致了传统水系锂离子电池的工作电压较低，影响了实际的能量密度(Journalof Energy Chemistry,2018,27,1521–1535)。此外，在有机体系中，有机电解质的分解可以在负极表面生成一个固态电解质保护膜，避免电极受到副反应的影响。但是，在水系溶液中难以形成固态电解质保护膜，导致容量的衰减和运行寿命的降低(Advanced EnergyMaterials,2012,2,830–840)。因此，需要开发一种新型水系锂离子电池，使其具备工作电压高、能量密度高和运行寿命长的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种高电压水系锂离子二次电池，使其具有高电压，高能量密度和长运行寿命的特征。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种水系锂离子二次电池，以碱性电极为负极，碱性电解质作为负极电解质，离子交换膜作为隔膜，中性电解质作为正极电解质，嵌/脱锂材料为正极。

进一步地，所述碱性电极为锌电极。

进一步地，所述锌电极包括粉末锌电极、电镀锌电极和锌箔电极的一种。

进一步地，所述粉末锌电极的制备方法，包括以下步骤：

将锌粉、导电碳粉、粘结剂按照质量比8:1:1组成的浆料涂覆到基体上，然后真空室温干燥处理，锌粉载量为1-5mg/cm²。

更进一步地，所述锌粉尺寸为10-80μm；导电碳粉为乙炔黑、科琴黑和Super P中的一种或多种；粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏四氟乙烯；基体为石墨纸、铜箔和钛箔中的一种。

进一步地，电镀锌电极的制备方法，包括以下步骤：石墨纸、铜箔和钛箔的一种作为基体材料，在三氟甲烷磺酸锌溶液中或添加有十二烷基磺酸钠的硫酸锌溶液中电镀，然后经过清洗和真空干燥处理。

进一步地，所述锌箔电极的厚度为0.05-0.5mm。

进一步地，所述负极电解质是含有碱与醋酸锌或碱与氧化锌的混合溶液，碱为氢氧化锂、氢氧化钾和氢氧化钠的一种，在混合溶液中的浓度为1-6mol/L；醋酸锌或氧化锌在混合溶液中的浓度为0.05-0.4mol/L。

进一步地，所述离子交换膜包括质子交换膜、阳离子交换膜和双极膜的一种。

进一步地，所述正极的制备方法为：将嵌/脱锂正极活性材料、导电碳粉、粘结剂制备成浆料，涂覆在基体材料上，真空干燥处理；

干燥温度为60-90℃。

进一步地，所述嵌/脱锂正极活性材料包括锰酸锂、亚锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂和钴酸锂的一种，载量为1-10mg/cm²；导电碳粉、粘结剂与基体材料与负极使用的材料相同。