一种高能量密度充放电锂电池制造技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体为一种高能量密度充放电锂电池。该锂电池由隔膜、负极、正极和电解质组成，其中，隔膜为固体且锂离子能够可逆通过，负极为金属锂或锂的合金，负极侧的电解质为常见的有机电解液、聚合物电解质、离子液体电解质或它们的混合物；正极为锂离子电池常见的正极材料，正极侧为含锂盐的水溶液或水凝胶电解质。该充放电锂电池较传统的锂离子电池电压高，能量密度高30%以上。该高能量密度充放电锂电池可用于电力的储存和释放等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学
，具体涉及一种高能量密度充放电锂电池，本专利技术还涉及该高能量密度充放电锂电池的应用。
技术介绍
锂离子电池的能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，具有很好的经济效益、社会效益和战略意义，成为目前最受瞩目的绿色化学电源(参见吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江.《锂离子电池——应用与实践》.北京化学工业出版社，2004年)。但是，该类型的锂离子电池具有如下缺点(I)由于采用石墨(理论容量为372mAh/g)等材料作为负极材料，尽管循环性能得到了改善，但是远远低于金属锂的可逆容量3800 mAh/g;同时，石墨发生锂离子可逆嵌入和脱嵌的氧化还原电位(约-2. 85V)比金属锂(-3. 05V)高约0. 2V，组成锂离子电池时，电池的电压要低约0. 2V，因此能量密度不高，无法 满足纯电动汽车的要求。(2)锂离子电池对水分非常敏感，对组装环境非常苛刻，所以生产成本较高。而采用金属锂作为负极材料会存在如下问题由于锂枝晶的形成，会穿透传统的多孔隔膜，造成负极和正极短路，从而产生严重的安全问题和使用寿命的终结。最近专利技术的可充电锂// 空气电池(参见 Tao Zhang 等，Journal of The Electrochemical Society,2008 年，第 155 卷，第 A965 页-A969 页；Yonggang Wang, Haoshen Zhou, Journal of PowerSources 2010年，第195卷，第358页-第361页)，其在空气侧会产生LiOH或Li2O2,LiOH在水溶液中的溶解度有限(室温下为12. 5g/100g水)，而在纯有机电解液体系中的Li2O2很容易将催化剂层堵住，尽管根据金属锂而言，能量密度非常高(约13000 ffh/kg),但是根据电极材料的能量密度非常有限，仅为400 Wh/kg(参见J. P. Zheng等发表在J.Electrochem. Soc. 2008年第155卷第A432页-第A437页一文)，因此其实际容量依然有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高能量密度充放电锂电池，以克服锂离子电池能量密度低、生产成本高和以金属锂为负极安全性能差以及金属锂//空气电池容量有限等问题。本专利技术提供的高能量密度充放电锂电池，由隔膜、负极、正极和电解质组成，其中 (1)所述隔膜为固体且锂离子能够可逆通过； (2)所述负极为金属锂或锂的合金； (3)负极侧的电解质为常见有机电解液、聚合物电解质或离子液体电解质，或它们的混合物； (4)所述正极为锂离子电池常见正极材料； (5)正极侧为含锂盐的水溶液或水凝胶电解质。本专利技术中，所述的隔膜为含锂无机氧化物、含锂硫化物或含锂盐的全固态聚合物电解质，或者为它们的混合物；所述的含锂无机氧化物为LiTi2(P04)3、Li4Gea5Va5OpLi4SiO4, LiZr (PO4) 2、LiB2(PO4)3或Li2O-P2O5-B2O3等三元体系，或这些含锂无机氧化物的掺杂物；所述的含锂硫化物为Li2S - GeS2-SiS2或Li3PO4 - GeS2-SiS2等三元体系，或这些含锂硫化物的掺杂物；所述含锂盐的全固态聚合物电解质为含锂盐的聚氧化乙烯、含锂盐的聚偏氟乙烯或含锂盐的硅氧烷单离子聚合物电解质，或部分或全部氟取代的含锂盐烯烃类单离子聚合物电解质。本专利技术中，所述的锂的合金包括锂与其它金属形成的合金或其改性物。本专利技术中，所述的有机电解液为在有机溶剂中溶解有锂盐的溶液，其中所述的锂盐包括LiC104、LiBF4、LiPF6、LiB0B或LiTFSI，所述的有机溶剂包括乙腈、四氢呋喃、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯或二甲基亚砜中的一种或几种。所述的聚合物电解质包括全固态的聚合物电解质和凝胶聚合物电解质，所述的全固态聚合物电解质为含锂盐的聚氧化乙烯、含锂盐的聚偏氟乙烯或含锂盐的硅氧烷单离子聚合物电解质，或者为部分或全部氟取代的含锂盐烯烃类单离子聚合物电解质，或者为它们的混合物；所述的凝胶聚合物电解质为含有上述有机电解液的聚氧化烯烃、丙烯腈的聚合物或共聚物、丙烯酸酯的聚合物或共聚物、含氟烯烃的单聚物或共聚物。本专利技术中，所述离子液体电解质为含bf4_或CF3S03_类阴离子或含咪唑类、批啶类、硫鎗类阳离子的离子液体。本专利技术中，所述的常见正极材料包括LiCoO2、LiNi02、LiMn204、LiFePO4或LiFeSO4F,或其掺杂物、包覆类化合物或混合物。 本专利技术中，所述的含锂盐的水溶液或水凝胶电解质包括溶解有无机锂盐或有机锂盐的水溶液或水凝胶电解质；所述的无机锂盐包括金属锂的齒化物、硫化物、硫酸盐、硝酸盐或碳酸盐；所述的有机锂盐包括锂的羧酸盐或锂的磺酸盐。本专利技术提供的高能量密度充放电电池，其结构示意如图I。该高能量密度充放电锂电池由于采用金属锂为负极，电压比常见的锂离子电池要高0. 2V，同时金属锂比石墨的可逆容量要高许多，且由于正极本身就有锂，因此负极锂的需要量非常少。由于采用能够使锂离子可逆通过的固体作为隔膜，锂枝晶不能通过隔膜，因此，安全性能非常良好；同时在负极一侧为有机电解液、聚合物电解质或离子液体电解质，金属锂非常稳定，能够发生可逆的溶解和电沉积反应；而在正极一侧，常见的锂离子电池正极材料在水溶液体系中非常稳定(见Y.P. Wu 等，CMTEC 2010 5th Forum on New Materials 论文集，2010 年 6 月 13-18日，意大利，FD-I: IL12)，能够发生可逆的锂离子嵌入/脱嵌反应，且大电流性能优良，因此具有良好的稳定性；另外，固体隔膜的使用避免了水向负极的迁移，同时也防止负极侧的电解质或溶剂向正极侧的迁移，因此，该充放电锂电池的能量密度高，具有非常优良稳定性和循环性能。本专利技术还提供该高能量密度充放电锂电池在电力储存和释放方面的应用。由本专利技术制备的充放电锂电池具有高的能量密度，并具有非常优良稳定性和循环性能。附图说明图I是本专利技术制备的高能量密度充放电锂电池结构示意图。图2实施例3的(a)首次充放电曲线和(b)前30次的循环曲线。具体实施例方式下面将通过实施例和对比例进行更详细的描述，但本专利技术的保护范围并不受限于这些实施例。对比例I : 以高容量(372 mAh/g)的石墨为负极活性物质，可逆容量为145 mAh/g的LiCoO2为正极的活性物质，以Super-P作为导电剂、·聚偏氟乙烯为粘合剂、N-甲基-吡咯烷酮为溶剂，搅拌成均匀的浆料后，分别涂布在铜箔和铝箔上，制成负极极片和正极极片。由于在电池中负极的容量要稍微过量,因此,负极的实际利用容量为350 mAh/g。将负极极片和正极极片真空干燥后，以Celgard的多孔烯烃膜(型号2400)为隔膜，卷绕成锂离子电池芯，放入方型的铝壳中。激光封口，然后真空干燥，从注液口注入电解液(张家港国泰华荣的LB315)。化成、分容，然后将钢珠打入到注液口，将电池密封，得到以石墨为负极、LiCoO2为正极的锂离子电池。以IC的电流进行测试，充电为先以IC进行恒流、充电到4. 2V以后改为恒压，当电流为0. IC时终止充电过程；放电电流为1C，终止电压为3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度充放电锂电池，其特征在于：由隔膜、负极、正极和电解质组成，其中：(1)？所述隔膜为固体且锂离子能够可逆通过；(2)？所述负极为金属锂或锂的合金；(3)？负极侧的电解质为常见有机电解液、聚合物电解质或离子液体电解质，或它们的混合物；(4)？所述正极为锂离子电池常见正极材料；(5)？正极侧为含锂盐的水溶液或水凝胶电解质；其中，所述的隔膜为含锂无机氧化物、含锂硫化物或含锂盐的全固态聚合物电解质，或者为它们的混合物；所述的含锂无机氧化物为LiTi2(PO4)3、Li4Ge0.5V0.5O4、Li4SiO4、LiZr(PO4)2、LiB2(PO4)3或Li2O？P2O5？B2O3三元体系，或这些含锂无机氧化物的掺杂物；所述的含锂硫化物为Li2S–GeS2？SiS2或Li3PO4–GeS2？SiS2三元体系，或这些含锂硫化物的掺杂物；所述含锂盐的全固态聚合物电解质为含锂盐的聚氧化乙烯、含锂盐的聚偏氟乙烯或含锂盐的硅氧烷单离子聚合物电解质，或部分或全部氟取代的含锂盐烯烃类单离子聚合物电解质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭炯，曲群婷，刘丽丽，侯宇扬，吴宇平，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：