一种固态或胶态水系碱金属离子电池制造技术

本实用新型专利技术提供一种固态或胶态水系碱金属离子电池，所述电池依次包括：正极集流体；填充有正极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的正极；隔膜；填充有负极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的负极；以及负极集流体；所述电池为固态或凝胶态结构，无流体介质。本实用新型专利技术的固态或胶态水系碱金属离子电池由于没有水溶液电解质，因而可以大大降低电池的质量和体积，进而提高水系碱金属离子电池的质量比能量和体积比能量。

【技术实现步骤摘要】
一种固态或胶态水系碱金属离子电池
本技术涉及一种固态或胶态水系碱金属离子电池，属于二次电池领域，也属于能源材料

技术介绍
近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，掀起了一场以推动可再生能源发展为核心的新能源革命。太阳能、风能等可再生能源具有资源丰富、清洁无污染等特点，被认为是解决能源问题的根本和长期的途径。然而，太阳能和风能等受到自然条件的限制具有间歇性、不稳定等特点，而且不能随需求来控制，难以并网发电，必须利用大规模储能系统保障电网稳定性和电力供应的连续性。由于电网对储能技术的需求，不同的储能体系被用来作为储能设备进行研究。而水体系碱金属离子电池由于具有原料来源丰富、环境友好、安全性高与价格便宜等因素是该领域的非常具有应用前景的候选者而吸引了人们的广泛关注。然而，目前国内外水系碱金属离子电池的研究都未能摆脱水溶液电解质所引发的各种问题。在水溶液中循环使用的电池，必须克服电极材料在水溶液中的溶解以及盐溶液对电极的长期(10～20年)持续不断的缓慢腐蚀；同时，由于水的理论电解电压只有1.23V，因此极大地限制了水系碱金属离子电池的质量比能量；电池中包含大量水溶液，移动场景使用容易产生漏液现象，同时水溶液在电池中占有较大的质量比和体积比，这进一步限制了水系碱金属离子电池的质量比能量和体积比能量。目前已见报道的这类产品质量比能量均不超过25W·h/kg。
技术实现思路
针对上述问题，本技术的目的在于提供一种固态或胶态水系碱金属离子电池及其制备方法。本技术提供一种固态或胶态水系碱金属离子电池，所述电池依次包括：正极集流体；填充有正极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的正极；隔膜；填充有负极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的负极；以及负极集流体；所述电池为固态或凝胶态结构，无流体介质。本技术的固态或胶态水系碱金属离子电池由于没有水溶液电解质，因而可以大大降低电池的质量和体积，进而提高水系碱金属离子电池的质量比能量和体积比能量。它既能保留水系碱金属离子电池的原料来源丰富、环境友好与价格便宜的优点，又能够进一步提高电池的安全性，并能缓解电极材料腐蚀、电池电动势低、水分解的问题。而且具有无泄漏、形状可控等优点。优选地，在正极中，正极活性物质和含碱金属离子的碱和/或盐均匀分布在胶态物质中。优选地，在负极中，负极活性物质和含碱金属离子的碱和/或盐均匀分布在胶态物质中。较佳地，所述正极活性物质为碱金属离子可嵌入和脱出的材料，优选为钠基普鲁士蓝类化合物、λ-MnO2、Na0.22MnO2、Na0.44MnO2、NaMnO2中的至少一种。较佳地，所述负极活性物质为碱金属离子可嵌入和脱出的材料，优选为(TiO)2P2O7、NaTi2(PO4)3中的至少一种。较佳地，所述正极和/或负极中还含有电子导电材料。较佳地，所述电子导电材料为石墨、炭黑、乙炔黑和金属粉末中的至少一种。较佳地，所述胶态物质选自水系有机胶体和水系无机胶体中的至少一种。较佳地，所述水系有机胶体为聚丙烯酰胺胶体、聚乙烯醇纤维素胶体中的至少一种，所述水系无机胶体选自气相二氧化硅分散形成的胶体、硅溶胶和硅酸溶胶中的至少一种。较佳地，所述含碱金属离子的碱和/或盐选自Na2SO4、NaCl、NaNO3、Na3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4、NaC2H3O2、Na2C2O4、NaClO4、NaOH、K2SO4、KCl、KNO3、KOH、Li2CO3、Li2SO4、LiOH中的至少一种。所述集流体材质可为金属非金属导电材料，优选为铜、铝、镍、石墨纸、不锈钢中的至少一种，正极集流体和负极集流体材质可以相同，也可以不同。所述隔膜可为有机高分子材料、无机材料，优选为纤维隔膜、无纺布隔膜、微孔塑料隔膜中的至少一种。较佳地，所述正极和/或负极中还含有添加剂，所述添加剂优选为甘油、柠檬酸钠、亚氨基琥珀酸钠、聚乙二醇中的至少一种。较佳地，所述固态或胶态水系碱金属离子电池还包括用于传导所述正极电流的正极集流体和用于传导所述负极电流的负极集流体。附图说明图1为本技术的单组电池结构示意图；图2为本技术的多组电池结构示意图；图3为实施例一中λ-MnO2正极，(TiO)2P2O7为负极，0.5C下的充放电曲线图；符号说明：1为负极集流体，2、6、10为负极材料，3、7、11为隔膜，4、8、12为正极材料，13为正极集流体，5、9为连接集流体。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本技术作进一步的详细说明。应理解，附图和/或具体实施方式仅用于说明本技术而非限制本技术。图1示出本技术一个示例的单组电池结构示意图。如图1所示，本技术的固态或胶态水系碱金属离子电池(以下简称为“电池”)依次包括负极集流体1、负极材料2、隔膜3、正极材料4、和正极集流体13。从负极集流体1和正极集流体13可分别引出导线，用于与负载连接，由此向负载供电。本技术中，水系碱金属离子电池包括水系钠离子电池、水系锂离子电池和水系钾离子电池等。本技术的电池为基于水系碱金属离子电解质的固态或凝胶态结构，无液体或者流体介质。即，电解质并非以溶液形式存在，而以固态电解质的形式混入正极和负极中。碱金属离子作为嵌脱正负极材料得失电子载体，不会产生电解质泄露现象、安全性高、形状可控。以下，详细说明本技术的电池的各组成部分。负极集流体1用于传导负极电流，其材质可为铜、铝、镍、石墨纸、不锈钢等金属非金属导电材料。负极集流体1的厚度可为5μm～2000μm。负极材料2含有负极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐、胶态物质等。负极材料2整体呈固态或胶态，无流动性，成型后可保持形状。其中，负极活性物质可采用碱金属离子可嵌入和脱出的具有相对低的嵌/脱电位平台的材料，例如可采用(TiO)2P2O7、NaTi2(PO4)3等材料中的一种或几种。负极中负极活性物质所占质量百分比为1％～90％，优选为20％～70％。另外，负极材料2中还可以含有适量的电子导电材料，如石墨、炭黑、乙炔黑、金属粉末或其他导电材料。负极中电子导电材料所占质量百分比为0.1％～30％，优选为2％～20％。另外，负极活性物质本身也可以被电子导电材料包覆。正极材料4含有正极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐、胶态物质等。正极材料4整体呈固态或胶态，无流动性，成型后可保持形状。其中，正极活性物质可为碱金属离子可嵌入和脱出的具有相对高的嵌/脱电位平台的材料，如钠基普鲁士蓝类化合物、λ-MnO2、Na0.22MnO2、Na0.44MnO2、NaMnO2等。其中，钠基普鲁士蓝类化合物通式为NaxMyFe(CN)6，其中M为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Cr、Mn中的一种或几种，0≤x≤4，0≤y≤2。正极中正极活性物质所占质量百分比为1％～95％，优选为20％～70％。另外，正极材料4中还可以含有适量的电子导电材料，如石墨、炭黑、乙炔黑、金属粉末或其他导电材料。正极中电子导电材料所占质量百分比为0.1％～30％，优选为2％～20％。另外，正极活性物质本身也可以被电子导电材料包覆。含碱金属离子的碱和/或盐溶解在胶态物质中以离子形式存在于负极材料2、正极材料4中，作为胶态电解质。含碱金属离子的碱和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述电池依次包括：正极集流体；填充有正极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的正极；隔膜；填充有负极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的负极；以及负极集流体；所述电池为固态或凝胶态结构，无流体介质。

【技术特征摘要】
1.一种固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述电池依次包括：正极集流体；填充有正极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的正极；隔膜；填充有负极活性物质、含碱金属离子的碱和/或盐以及胶态物质的负极；以及负极集流体；所述电池为固态或凝胶态结构，无流体介质。2.根据权利要求1所述的固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述正极活性物质为碱金属离子可嵌入和脱出的材料。3.根据权利要求1所述的固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述负极活性物质为碱金属离子可嵌入和脱出的材料。4.根据权利要求1所述的固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述正极和/或负极中还含有电子导电材料。5.根据权利要求4所述的固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述电子导电材料为石墨、炭黑、乙炔黑和金属粉末中的至少一种。6.根据权利要求1所述的固态或胶态水系碱金属离子电池，其特征在于，所述胶态物质选自水系有机胶体和水系无机胶体中的至少一种。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，周标，贺诗阳，张书明，夏骥，张娜，贺健，曾诗蒙，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，上海硅酸盐研究所中试基地，
类型：新型
国别省市：上海,31