一种采用相同正负极活性材料的二次电池制造技术

本发明专利技术公开了一种采用相同正负极活性材料的二次电池，属于电化学能量储存技术领域。本发明专利技术利用具有在不同电位发生不同可逆氧化还原反应的材料，同时作为二次电池的正负极活性物质。本发明专利技术可有效用于具有多价态变化的金属氧化物及金属硫化物等。同时本发明专利技术工艺过程简单并且与现有工艺兼容，可有效简化电极材料的生产、匹配流程，因此具有极大的应用前景。

Two secondary cell using same positive and negative pole active material

The invention discloses a two secondary battery with the same positive and negative active material, belonging to the electrochemical energy storage technology field. The invention utilizes a material having a reversible reversible redox reaction at different potentials and acts as a positive and negative active substance of the two cell simultaneously. The present invention can be applied to metal oxides and metal sulfides with multivalent changes. At the same time, the invention has simple process and is compatible with the prior art, and can effectively simplify the production and matching process of the electrode material, so the invention has great application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种采用相同正负极活性材料的二次电池
:本专利技术涉及电化学能量储存
，具体涉及一种采用相同正负极活性材料的二次电池。
技术介绍
:18世纪以来，能源使用方式的变革极大地推动了人类社会的发展和进步。为了满足未来电动汽车、混合燃料汽车、电力、通信、各类新型便携式电子产品等众多领域的需求，开发稳定安全、环境友好、成本低廉、高性能的电化学储能器件至关重要。二次电池因具有较高的储能密度及可以循环使用等优点，是最具潜力的电化学储能器件之一。在充放电过程中，正负电极材料分别发生的氧化还原反应，将电能与化学能进行相互转换，是二次电池的工作基础。根据能斯特方程，发生不同氧化还原反应时所需的吉布斯自由能不同，因此不同电极材料的工作电位不同，如锂离子电池采用石墨作为负极活性材料，钴酸锂作为正极材料，在充放电过程中，石墨在0.01V(vs.Li/Li+)发生反应钴酸锂在3.7V(vs.Li/Li+)发生反应目前商业化二次电池的设计及生产，需要匹配不同的正负极活性材料(匹配工作电位、容量、质量等)，然后分别进行正负极活性材料的生产、正负电极的制备，最后再将正负电极、隔膜与电解液组装为电池。近年来，随着电极材料制备技术的发展及电化学反应机理研究的不断深入，部分电极材料(具有多价态变化的金属氧化物、金属硫化物、石墨等)在电解液的稳定电位区间内被发现具有多电化学活性，即可以在不同电位下发生不同的可逆氧化还原反应：石墨可在0.01V(vs.Li/Li+)发生锂离子的脱嵌反应，在5V(vs.Li/Li+)发生阴离子的脱嵌反应；多价态变化的金属氧化物，如Na0.8Ni0.4Ti0.6O2，可在0.75V(vs.Li/Li+)发生氧化还原电对Ti4+/Ti3+的反应，在3.5V(vs.Li/Li+)发生氧化还原电对Ni2+/Ni4+的反应；金属硫化物可在<1.5V(vs.Li/Li+)发生转换反应形成金属纳米颗粒及硫化锂，在2.4V(vs.Li/Li+)发生硫化锂与硫的转换反应。由于该类材料可以在不同电位下发生不同的可逆氧化还原反应，因此研发人员希望设计一种具有相同正负极材料的二次电池，有效利用该类电极材料同时作为正负极活性物质，从而简化生产流程，发展成本低廉、高性能的新型二次电池。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种采用相同正负极活性材料的二次电池，通过电化学电荷注入对电极材料的电化学反应及开路电位进行调控，实现同一种电极材料可以既作正极又作负极，从而构筑新型二次电池。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种采用相同正负极活性材料的二次电池，该二次电池制备过程为：首先将相同的正负极活性材料制备为电极，所述相同的正负极活性材料是指能够在不同电位发生不同可逆氧化还原反应的活性物质(活性材料)；然后将所制备的电极作为工作电极，锂片作为对电极及参比电极，同时加入电解液，通过电化学电荷注入的方法，对工作电极的电化学反应及开路电位进行调控，分别得到具有稳定电化学性能的正极和负极；最后组装成所述采用相同正负极活性材料的二次电池。该二次电池制备过程中，通过电化学电荷注入的方法对工作电极的电化学反应及开路电位进行调控，分别得到具有稳定电化学性能的正极和负极的具体步骤如下：(1)电化学电荷注入法制备负极：电化学电荷注入法制备负极的过程是通过控制截止电压及循环次数来进行电极电化学活性的调整；具体为：首先选定电极材料可在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较负的氧化还原反应电位区间，作为负极工作区间；随后将电极在该负极工作区间内进行恒流充放电循环，以使电极材料在该负极工作区间内发生可逆的氧化还原反应(来“激活”该氧化还原反应的活性)，并减少在反应过程中(“激活”过程中)产生的不可逆反应，从而提高最终组装的二次电池的库伦效率及循环稳定性；最后控制电极电位低于电极材料可在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较正的氧化还原反应电位区间，并使电极材料处于负极的放电态，从而避免正负极开路电位不匹配对最终组装的二次电池产生影响；该步骤以金属硫化物作为活性物质进行说明：先对电极材料进行“激活”处理(激活方法为：当电压区间为0.01～1.4V(vs.Li/Li+)，循环次数为40次时，电极具有稳定可逆的负极活性随后将电极在1.4V(vs.Li/Li+)恒压，得到负极。(2)电化学电荷注入法制备正极：电化学电荷注入法制备正极的过程是通过控制截止电压及循环次数来进行电极电化学活性的调整；具体为：首先选定电极材料可在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较正的氧化还原反应电位区间，作为正极工作区间；随后将电极在该正极工作区间内进行恒流充放电循环，以使电极材料在该正极工作区间内发生可逆的氧化还原反应(来“激活”该氧化还原反应的活性)，并减少在反应过程中(“激活”过程中)产生的不可逆反应，从而提高最终组装的二次电池的库伦效率及循环稳定性；最后控制电极电位高于电极材料可在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较负的氧化还原反应电位区间，并使电极材料处于正极的放电态，从而避免正负极开路电位不匹配对最终组装的二次电池产生影响；该步骤以金属硫化物作为活性物质进行说明：先对电极材料进行“激活”处理(激活方法为：当电压区间为1.7V～3.1V(vs.Li/Li+)，循环次数为20次时，电极具有稳定可逆的正极活性随后将电极在1.7V(vs.Li/Li+)恒压，得到正极。在获得具有稳定电化学性能的正极和负极后(将电化学电荷注入处理后，得到分别具有正负电位区间活性的正负极)，进行二次电池组装，过程为：将正极、隔膜和负极(锂片)依次排列进行叠片组装形成三明治结构，注入电解液后进行封装，即得到采用相同正负极活性材料的二次电池。所得二次电池的正负电极均采用相同的电极材料。所述电解液可以为水系电解液(如硫酸水溶液、氢氧化钾水溶液和锂盐、钾盐、钠盐的中性水溶液等)、有机电解液(如高氯酸盐、四氟硼酸盐、六氟磷酸盐或三氟甲基磺酸盐等在有机溶剂中的溶液)或各种离子液体等；所述有机溶剂为丙烯碳酸脂、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、二甲基甲酰胺、环丁砜、乙腈、1,3-二氧环戊烷、1,2-二甲氧基乙烷和1,4-丁内酯等中的一种或几种。所述能够在不同电位发生不同可逆氧化还原反应的活性材料为石墨、具有多价态变化的金属氧化物和/或金属硫化物；其中：所述具有多价态变化的金属氧化物为MnO2、V2O5、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、Li3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)3和Na0.8Ni0.4Ti0.6O2中的一种或几种；所述金属硫化物为硫化钼、硫化钴、硫化铁、硫化铜、硫化镍中的一种或几种。电池组装前的工作电极的制作为常规工艺，即：将活性电极材料、粘结剂和导电剂依次进行配料、涂布、压片和切片得到。本专利技术设计原理如下：本专利技术依据能斯特方程与吉根海姆(Guggemheim)理论：电极材料与电解质发生的法拉第反应能否自发进行，取决于电极材料的电化学势，即电极材料的化学势及电极电位。通过电化学电荷注入的方法(参见申请号为201310093023.7的专利技术专利申请(专利技术名称：一种实现超级电容器能量密度极大化的方法))本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用相同正负极活性材料的二次电池，其特征在于：该二次电池制备过程为：首先将相同的正负极活性材料制备为电极，所述相同的正负极活性材料是指能够在不同电位发生不同可逆氧化还原反应的活性材料；然后将所制备的电极作为工作电极，锂片作为对电极及参比电极，同时加入电解液，通过电化学电荷注入的方法，对工作电极的电化学反应及开路电位进行调控，分别得到具有稳定电化学性能的正极和负极；最后组装成所述采用相同正负极活性材料的二次电池。

【技术特征摘要】
1.一种采用相同正负极活性材料的二次电池，其特征在于：该二次电池制备过程为：首先将相同的正负极活性材料制备为电极，所述相同的正负极活性材料是指能够在不同电位发生不同可逆氧化还原反应的活性材料；然后将所制备的电极作为工作电极，锂片作为对电极及参比电极，同时加入电解液，通过电化学电荷注入的方法，对工作电极的电化学反应及开路电位进行调控，分别得到具有稳定电化学性能的正极和负极；最后组装成所述采用相同正负极活性材料的二次电池。2.根据权利要求1所述的采用相同正负极活性材料的二次电池，其特征在于：该二次电池制备过程中，通过电化学电荷注入的方法对工作电极的电化学反应及开路电位进行调控，分别得到具有稳定电化学性能的正极和负极的具体步骤如下：(1)电化学电荷注入法制备负极：电化学电荷注入法制备负极的过程是通过控制截止电压及循环次数来进行电极电化学活性的调整；具体为：首先选定电极材料在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较负的氧化还原反应电位区间，作为负极工作区间；随后将电极在该负极工作区间内进行恒流充放电循环，以使电极材料在该负极工作区间内发生可逆的氧化还原反应，并减少在反应过程中产生的不可逆反应，从而提高最终组装的二次电池的库伦效率及循环稳定性；最后控制电极电位低于电极材料在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较正的氧化还原反应电位区间，并使电极材料处于负极的放电态，从而避免正负极开路电位不匹配对最终组装的二次电池产生影响；(2)电化学电荷注入法制备正极：电化学电荷注入法制备正极的过程是通过控制截止电压及循环次数来进行电极电化学活性的调整；具体为：首先选定电极材料在不同电位区间发生的不同氧化还原反应中，相对电位较正的氧化还原反应电位区间，作为正极工作区间；随后将电极在该正极工作区间内进行恒流充放电循环，以使电极材料在该正极工作区间内发生可逆的氧化还原反应，并减少在反应过程中产生的不可逆反应，从而提高最终组装的二次电池的库伦效率及循环稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，王宇作，单旭意，王大伟，孙振华，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21