基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法技术

一种基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，包括如下步骤：S1、配置电解液；S2、正、负电极的活化；S3、LiCoO2比容量的确定；S4、活性炭比容量的确定；S5、正、负极材料荷载的确定；S6、电池体系的构建。其优点是：1、获得的电解液相比常规水系锂离子电池，大大提高了负极的稳定性，从整体上使制备的电池的循环性得到了极大改善；2、采用本方法构建的电池，其电容性AC极大提高了负极的倍率性，使得电池整体上的倍率性能仅仅只来源于LiCoO2，而不是如现有水系锂离子电池一样取决正负极的双重作用，便于后期对电池的性能分析；3、本发明专利技术构建方法过程中，提升了LiCoO2的循环性，减小了因AC在负极分解水生成H2而产生残余电流的几率，有助于降低体系的自放电率。

Construction of a hybrid lithium-ion battery system based on lithium cobalt oxide and activated carbon

【技术实现步骤摘要】
基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法
本专利技术涉及电池
，具体地说是一种基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法。
技术介绍
自J.R.Dahn的研究团队在二十世纪九十年代首次尝试在将水系溶液运用到离子电池中并取得了成功以后，考虑到环境保护和经济效益等可持续发展的因素，水系锂离子电池的研究正逐步得到重视。水系锂离子电池采用水溶液作为电解质，阻燃性增强，使电池在使用过程中不容易发烫发热，安全性能得到了极大的改善。此外水溶液来源广泛且其中离子电导率在数量级层面远远高出机溶液体系，成本和性能较现有的电池体系都具有不同程度的优势，有望成为21世纪具有持续、爆炸式发展潜力的新兴产业。常见的充电电池有：镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄、铁锂电池。镍镉和镍氢电池平均电压是1.2V，具有不容忽视的记忆效应，这一点会造成使用上的不便，常常引起电池的提前失效；锂离子和铁锂电池皆属于传统锂离子电池，排除结构和体系上的差异，二者均采用有机溶剂作为主要电解液载体，LiPF6等非水氧稳定性锂盐作为电解液锂源，这类有机电解液通常情况下要承受超过3V的化学反应电压，而充电状态的电极容易和高易燃性的酯类溶剂发生反应引起失火，制约了它们在大型储能体系中的广泛应用；另外相应的锂盐也十分昂贵，电池制造环境需严格控制在低水氧度，使得传统锂离子电池的造价普遍偏高；铅蓄电池是由6个2V的子部分串联组成的，尽管容量最大但体积却是最大的。考虑到只有普通1、2、3、5、7号单体一次电池标称电压是1.5V，镍氢、镍镉充电电池标称电压低于该值。因此，如何构建水系锂离子电池体系，使其电压窗口增大的同时，便于分析系统性能是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，使得水系锂离子电池电压窗口等于1.5V，且使得负极稳定性增强，并可单纯根据正极即可分析系统性能。本专利技术的原理是：在0.5M低溶氧碱性(pH＝11)Li2SO4溶液中利用高容量正极材料钴酸锂(LiCoO2)结合高倍率容性负极材料活性炭(AC)组成了电压窗口为1.5V的水系混合型储能电池。第一方面，本专利技术保护一种基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，包括如下步骤：S1、配置电解液：配置pH＝11的Li2SO4溶液，然后倒入三电极电解槽中，通入氮气，进行溶液除氧以获得pH＝11的Li2SO4除氧溶液；S2、正、负电极的活化：活化正、负电极，当循环伏安测试过程中曲线重合时，电极活化完成，备用；S3、LiCoO2比容量的确定：将以pH＝11的Li2SO4未除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置于三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定LiCoO2的比容量值C1；S4、活性炭比容量的确定：将以步骤S1获得的pH＝11的Li2SO4除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置入三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定活性炭的比容量值C2；S5、正、负极材料荷载的确定：用步骤S3获得C1与步骤S4获得的C2作比，以获得一个电池所需正、负活性材料的荷载比；S6、电池体系的构建：根据步骤S5获得的正、负活性材料的荷载比分别制备正、负电极，然后将制备的正、负电极均装入三电极电解槽中，并将单电极孔池槽的电极孔用密封塞塞紧，再进行除氧操作后即完成水系锂离子电池体系的构建。优选地，步骤S1包括如下步骤：S11、取无水氢氧化锂溶解于去离子水中，使得LiOH溶液的pH为13～14；S12、取一水合硫酸锂晶体与步骤S11制备的LiOH溶液、去离子水混合，使得混合液无晶体，以配置为pH＝11的Li2SO4溶液；S13、将步骤S12获得的溶液作为电解液与参比电极、对电极一起置入H型密封玻璃三电极电解槽，进行除氧，以获得pH＝11的Li2SO4除氧溶液。进一步地，步骤S13中，每次除氧时，通气时间大于20min；优选地，步骤S2中，正、负电极的制备，包括如下步骤：S21、PTFE的分散：在PTFE分散乳液中加入无水乙醇后，超声分散，待在混合液内无法观测到明显乳白色团聚物或沉淀时，PTFE分散完成；其中，PTFE分散乳液中PTFE为60wt％，且每1gPTFE分散乳液中混合50～200ml无水乙醇，超声分散时间为30～45min，且超声分散过程中每隔15min换水一次。S22、混合浆料：将步骤S1中经超声后的物质置入磁力搅拌器上搅拌，且一边搅拌一边加入导电剂与电极活性材料，密封后再持续搅拌一夜，获得浆料；其中，电极活性材料与导电剂的用量与步骤S1中获得的分散PTFE用量，按照电极活性材料：导电剂：PTFE为15:3:2的质量比计算；所述导电剂为乙炔黑，所述电极活性材料为嵌锂材料；S23、浆料增稠：将经过步骤S2处理的浆料置入水浴装置中，一边磁力搅拌，一边加热水浴装置内水至沸腾，待浆料至牙膏状停止加热，取出、密封备用；S24、PTFE纤维化：将步骤S3获得的浆料置于磁力搅拌器上，以30～40r/s的转速搅拌，直至浆料至奶油状，停止搅拌，或者对于无需考虑外力是否会破坏电极材料颗粒显微形貌的情形，可以直接将步骤S3获得的浆料置于洗净的玛瑙研钵中研磨至乙醇挥发形成橡皮泥状，且再经反复折叠碾打至少半小时后形成表面泛油亮光泽的皮革状物质时，PTFE纤维化完成；S25、电极制备：将步骤S4制备的浆料或皮革状物质烘干，即获得电极混料并收集于样品盒中备用；取集流体用丙酮和无水乙醇分别超声除油处理15min，再吹干后装袋备用；取电极混料于内径为13.3mm圆形模具经旋转按压定型，再将定型好的电极混料采用保压方式挤入集流体一面上，将载有电极混料的集流体弯曲并观测电极混料是否结合紧密，若电极混料区域边缘未脱离集流体且电极混料未与集流体接触的那一面油亮光滑，将载有电极混料的集流体恢复形状，再充分干燥，电极制作完成；其中，集流体弯曲时，使得集流体弯曲的内角为135～150°。上述S21至S24中浆料置于同一密封容器中进行操作。步骤S2中，电极活化具体是：将制备好的电极没入电解液中浸泡1h，待看不到电极表面有气泡冒出时对电极启动循环伏安测试(cyclicvoltammetry)，直至某一圈以后的曲线几乎完全重合，停止循环，电极活化完成。优选地，步骤S2、S3、S4中，参比电极均选用带外接套管的双盐桥饱和甘汞电极(double-junctionSCE)，对电极选用AC电极，恒流冲放倍率0.2C(1C设为55mA/g(AC)和160mA/g(LiCoO2))，且步骤S3中，电位窗口为0V-1V(vsSCE)，步骤S4中，电位窗口为-0.95V-0V(vsSCE)；步骤S3、S4中，比容量公式为C＝i*t/3.6*m，其中，横轴是时间t(s)，电流i(A)，质量m(g)，比容量是C(mAh/g)。第二方面，本专利技术保护一种通过第一方面方法制备的水系锂离子电池。本专利技术一种基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，其优点是：1、电解液制备过程中，对电解液施予除氧操作，使获得的电解液相比常规水系锂离子电池，大大提高了负极的稳定性，从整体上使制备的电池的循环性得到了极大改善；2、采用本方法构建的电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、配置电解液：配置pH＝11的Li2SO4溶液，然后倒入三电极电解槽中，通入氮气，进行溶液除氧以获得pH＝11的Li2SO4除氧溶液；S2、正、负电极的活化：活化正、负电极，且当循环伏安测试过程中曲线重合时，电极活化完成，备用；S3、LiCoO2比容量的确定：将以pH＝11的Li2SO4未除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置于三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定LiCoO2的比容量值C1；S4、活性炭比容量的确定：将以步骤S1获得的pH＝11的Li2SO4除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置入三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定活性炭的比容量值C2；S5、正、负极材料荷载的确定：用步骤S3获得的C1与步骤S4获得的C2作比，以获得一个电池所需正、负活性材料的荷载比；S6、电池体系的构建：根据步骤S5获得的正、负活性材料的荷载比分别制备正、负电极，然后将制备的正、负电极均装入三电极电解槽中，并将单电极孔池槽的电极孔用密封塞塞紧，再进行除氧操作后即完成水系锂离子电池体系的构建。...

【技术特征摘要】
1.基于钴酸锂和活性炭的混合型水系锂离子电池体系的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、配置电解液：配置pH＝11的Li2SO4溶液，然后倒入三电极电解槽中，通入氮气，进行溶液除氧以获得pH＝11的Li2SO4除氧溶液；S2、正、负电极的活化：活化正、负电极，且当循环伏安测试过程中曲线重合时，电极活化完成，备用；S3、LiCoO2比容量的确定：将以pH＝11的Li2SO4未除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置于三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定LiCoO2的比容量值C1；S4、活性炭比容量的确定：将以步骤S1获得的pH＝11的Li2SO4除氧溶液作为电解液、以及参比电极、对电极、步骤S2活化后的正电极均置入三电极电解槽中，通过计时电位分析法确定活性炭的比容量值C2；S5、正、负极材料荷载的确定：用步骤S3获得的C1与步骤S4获得的C2作比，以获得一个电池所需正、负活性材料的荷载比；S6、电池体系的构建：根据步骤S5获得的正、负活性材料的荷载比分别制备正、负电极，然后将制备的正、负电极均装入三电极电解槽中，并将单电极孔池槽的电极孔用密封塞塞紧，再进行除氧操作后即完成水系锂离子电池体系的构建。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昌平，平俊，宫华扬，梁世恒，黄秋安，
申请(专利权)人：湖北大学，南京铱方巨人新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42