一种水系固态锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于电化学领域，具体涉及一种水系固态锂离子电池及其制备方法，其结构包括正极、负极、和电解质，所述电解质为含锂离子和过渡金属离子的固态水凝胶。利用固态电解质的凝胶形态约束电解质中水分子的移动，而又不妨碍锂离子在其中的传输。与现有技术相比，本发明专利技术能够大幅度提高水系锂离子电池的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种水系固态锂离子电池及其制备方法
本专利技术属于电化学领域，具体涉及一种水系固态锂离子电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池是高效储能电池中发展最快、应用最广的一类。随着人们对高功率、大容量锂离子电池需求日渐迫切，安全性成为了锂离子电池发展中需要解决的首要问题。目前，锂离子电池使用的电解质含有低闪点、低燃点的有机溶剂，易燃易爆，电池在短路、过充、受热、受猛烈撞击等极端情况下容易起火燃烧甚至爆炸，从而给锂离子电池的生产、运输和使用带来安全隐患，也严重制约了它在电动汽车方面的推广应用。因此，采用固体电解质代替电解液发展固态锂离子电池，是解决电池安全问题的重要途径。此外，发展水系锂离子电池也是提高锂离子电池安全性的一种方案。水系锂离子电池采用含锂离子的水溶液作为电解液，电导率大，安全无污染。但受水的析氢析氧电位限制，水系电解液在高电位下发生析氧，低电位下发生析氢，导致水系锂离子电池的循环性能较差，不能达到工业应用的标准。使用含有锂盐的水凝胶作为水系锂离子电池的固态电解质，能在一定程度上改善其循环性能。专利CN105161315A提出了一种应用在超级电容器上的水凝胶电解质薄膜，但应用于锂离子电池还需要解决水溶液在电极界面上分解的问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种水系固态锂离子电池及其制备方法。本专利技术所采取的技术方案如下：一种水系固态锂离子电池，其结构包括正极、负极、和电解质，所述电解质为含锂离子和过渡金属离子的固态水凝胶。所述固态水凝胶由天然多糖高分子溶于醋酸溶液，加入锂盐复合溶液，固化后形成。天然多糖高分子为壳聚糖、海藻酸钠、明胶等常见制作凝胶的天然原料。所述锂盐复合溶液含有锂离子与过渡金属离子。过渡金属离子为银、铜、镍、钴、锌中的一种或多种。所述锂离子与过渡金属离子的摩尔比为5:1-1:5。所述醋酸溶液为2±0.5%浓度。正极中电化学活性物质为尖晶石型锰酸锂（LiMn2O4）类、层状化合物钴酸锂（LiCoO2）类、橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）类中的一种或多种，负极中电化学活性物质为三氧化二钒（V2O3）等钒氧化物、钒酸锂（LiV3O8）等钒酸盐类物质、磷酸钛锂LiTi2(PO4)3类磷酸盐类中的一种或多种。上述的水系固态锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：（1）制备正极极片和负极极片：将正极中电化学活性物质和负极中电化学活性物质分别与导电剂、粘结剂均匀混合，涂覆在集流体上并干燥，制成正极极片和负极极片；（2）制备水凝胶固态电解质：将天然多糖高分子溶于醋酸，得到凝胶溶液后转移到模具中，滴入锂盐复合溶液将其固化，待溶液完全固化为凝胶后，取出备用；凝胶溶液的质量分数建议为0.5%-1%，可以根据经验和操作条件进行适当调整。（3）组装电池：将步骤（1）、（2）中制备的正极极片和负极极片与水凝胶固态电解质组装为扣式电池或叠片电池。步骤（1）中，电极电化学活性物质占总质量分数的93%-96%，所述导电剂为常用商业导电剂，如石墨、炭黑等，占总质量分数的4%-6%；所述粘结剂为常见水系或有机系粘结剂，如PVDF/NMP、CMC/SBR、聚丙烯腈衍生物、聚丙烯酸衍生物等。所述锂盐复合溶的摩尔浓度为0.2~0.5M。所述集流体为镀有氧化铟锡或氟掺杂氧化锡的镍/不锈钢箔片/网，镀层厚度为20-200nm。集流体上的疏水氧化物镀层能够进一步减少水分子在电极活性物质颗粒界面上发生分解的几率。本专利技术的有益效果如下：利用固态电解质的凝胶形态约束电解质中水分子的移动，而又不妨碍锂离子在其中的传输。与现有技术相比，本专利技术能够大幅度提高水系锂离子电池的循环寿命。附图说明图1为实施例1与实施例2的循环性能测试对比结果。通过结果说明，本专利技术制备得到的锂离子电池的循环寿命大幅提升。图2为固化凝胶的原理，即利用过渡金属离子的配位能力将天然多糖高分子链络合。具体实施方式实施例1：将锰酸锂（正极材料）/钒酸锂（负极材料），与聚偏氟乙烯（粘结剂）、导电炭黑（导电剂），按照93：4：3的质量比均匀混合，涂覆在不锈钢片上，随后120℃烘干极片，组装成扣式电池，注入浓度5mol/L的硝酸锂水溶液并封装。常温下测试其电化学循环性能，0.5C倍率循环25周后剩余容量70%。循环性能测试对比结果见图1。实施例2：将锰酸锂（正极材料）/钒酸锂（负极材料），与聚偏氟乙烯（粘结剂）、导电炭黑（导电剂），按照93：4：3的质量比均匀混合，涂覆在镀有氟掺氧化锡的不锈钢片上。取壳聚糖溶于2%醋酸水溶液，在圆形容器中滴入硝酸铜：硝酸锂=1:1（摩尔比）的水溶液，待凝胶定型后，与正负极片组装成扣式电池，在常温下测试其电化学循环性能，0.5C倍率循环100周后剩余容量71%。循环性能测试对比结果见图1。实施例3：将钴酸锂（正极材料）/三氧化二钒（负极材料），与SBR、CMC（粘结剂）、导电炭黑（导电剂），按照94：3：3的质量比均匀混合，涂覆在镀有氧化铟锡的不锈钢片上。取海藻酸钠溶于2%醋酸水溶液，在圆形容器中滴入硝酸银：硝酸锂=1:2（摩尔比）的水溶液，待凝胶定型后，与正负极片组装成扣式电池，在常温下测试其电化学循环性能，0.5C倍率循环100周后剩余容量66%。实施例4：将磷酸铁锂（正极材料）/二氧化钒（负极材料），与SBR、CMC（粘结剂）、导电炭黑（导电剂），按照95：3：2的质量比均匀混合，涂覆在镀有氧化铟锡的不锈钢片上。取壳聚糖溶于2%醋酸水溶液，在圆形容器中滴入硝酸镍：硝酸锂=1:2（摩尔比）的水溶液，待凝胶定型后，与正负极片组装成扣式电池，在常温下测试其电化学循环性能，0.5C倍率循环100周后剩余容量75%。以上所述仅为本专利技术的实施例，并非用来限制本专利技术的保护范围；本专利技术的保护范围由权利要求书中的权利要求限定，并且凡是依专利技术所作的等效变化与修改，都在本专利技术专利的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水系固态锂离子电池，其结构包括正极、负极、和电解质，其特征在于：所述电解质为含锂离子和过渡金属离子的固态水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种水系固态锂离子电池，其结构包括正极、负极、和电解质，其特征在于：所述电解质为含锂离子和过渡金属离子的固态水凝胶。2.根据权利要求1所述的水系固态锂离子电池，其特征在于：所述固态水凝胶由天然多糖高分子溶于醋酸溶液，加入锂盐复合溶液，固化后形成，所述锂盐复合溶液含有锂离子与过渡金属离子。3.根据权利要求1所述的水系固态锂离子电池，其特征在于：所述锂离子与过渡金属离子的摩尔比为5:1-1:5。4.根据权利要求2所述的水系固态锂离子电池，其特征在于：所述醋酸溶液为2±0.5%浓度。5.根据权利要求1-4任一项所述的水系固态锂离子电池，其特征在于：正极中电化学活性物质为尖晶石型锰酸锂类、层状化合物钴酸锂类、橄榄石型磷酸铁锂类中的一种或多种，负极中电化学活性物质为钒氧化物、钒酸盐类物质、磷酸盐类中的一种或多种。6.权利要求5所述的水系固态锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备正极极片和负极极片：将正极中电化学活性物质和负极中电化学活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾卓韦，徐军，邵汉琦，唐振科，缪宇杰，
申请(专利权)人：浙江中科立德新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33