一种环保型水系电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于电池技术领域，涉及一种环保型水系电池及其制备方法。所述的环保型水系电池包括正极、水系电解液、负极、隔膜，其中所述的正极的材料为Mn3O4。本发明专利技术的环保型水系电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，本发明专利技术的环保型水系电池的制备方法能够简易、低成本和无环保污染的制备环保型水系电池。

【技术实现步骤摘要】
一种环保型水系电池及其制备方法
本专利技术属于电池
，涉及一种环保型水系电池及其制备方法。
技术介绍
随着科技的进步和社会的发展，化石能源日趋枯竭，环境污染日益严重，因此能源问题已成为关系全世界可持续发展的关键问题。能源与环境方面的巨大压力使得寻找和开发新型绿色可再生能源已经成为人类的迫切任务，智能电网和可再生能源技术(包括太阳能、风能、新型清洁能源内燃机、燃料电池技术等)的巨大发展也对二次能量存储技术提出了更多的要求。但无论是分布式储能还是集中式储能，都需要数千瓦时到几百兆千瓦时的能量储存装置。电化学储能灵活多变，是未来储能的首选，经济和社会意义重大，已经成为世界各国重点支持和投资的战略性产业方向。虽然锂离子电池的能量密度高，但是锂资源储量有限，无法满足储能需求的十分之一；另外，有机体系的锂离子电池由于大量使用易燃的有机电解液，在生产和使用过程中可能造成爆燃事故，有安全性隐患。而采用水系电解液可以解决电池的安全性问题，并且，与便携式设备对高能量密度的要求不同，许多分布式或者集中式储能系统对能量密度的要求并不高。采用水系电解液的铅酸电池虽然价格非常低廉，技术成熟，占据着汽车启动电瓶、电动自行车、UPS等储能领域的绝对市场份额，但是，铅酸电池循环使用寿命较低，一般只能深度充放电400-500次，维护、更新及回收的成本很高。同时，铅酸电池致命的缺点是铅等重金属造成的水体和土壤污染一直困扰人类，铅酸电池不仅在装配过程中可能存在中毒、火灾、腐烛等危害，在使用的过程中也存在漏液的风险，容易对周边的环境造成很大污染。而同样，镉镍电池也含有大量有害的重金属元素，大规模应用会在生产和废弃阶段造成严重的环境污染，而且对环境温度要求严格，仅适用室内运行环境；镍氢电池由于采用了昂贵的稀有金属，价格上难于满足大规模储电的成本要求。水系离子电池由于采用偏中性的盐水溶液作为电解液，既避免了有机电解液的易燃问题，又克服了传统水系电池的高污染、寿命短(如铅酸电池)和价格昂贵(镍氢电池)的缺点，是能够满足大型储能技术要求的理想体系之一。但是，满足环保要求的水系钠离子电池正极材料(如Na-Mn-O化合物，Na-Mn-Ti-PO4化合物)往往存在容量较低，或电压平台过低的问题(如K-Mn-O)。而满足水系镁离子电池的负极材料较少，满足容量要求的FeVO4类复合材料又存在制备困难，脱镁电位过高的问题。而Mn3O4作为水系镁离子电池的正极材料时，充放电的容量较高，循环性能较好。因此，研究Mn3O4作为正极材料，开发新型水系电池具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的首要目的是提供一种环保型水系电池，以能够具有更高的能量密度和更长的循环寿命。为实现此目的，在基础的实施方案中，本专利技术提供一种环保型水系电池，所述的环保型水系电池包括正极、水系电解液、负极、隔膜，其中所述的正极的材料为Mn3O4。在一种优选的实施方案中，本专利技术提供一种环保型水系电池，其中所述的正极的材料为尖晶石型Mn3O4。在一种优选的实施方案中，本专利技术提供一种环保型水系电池，其中：所述的水系电解液为含有镁盐、钠盐、锌盐和/或锰盐的偏中性水溶液；所述的负极的材料为锌箔、球形锌粉、活性炭、NaTi2(PO4)3和/或NaTi2(PO4)3的碳复合材料；所述的隔膜为玻璃纤维膜、聚乙烯无纺布和/或滤纸。在一种更加优选的实施方案中，本专利技术提供一种环保型水系电池，其中：所述的镁盐选自MgCl2、MgSO4、Mg(NO3)2、Mg(ClO4)2中的一种或几种；所述的钠盐选自NaCl、Na2SO4、NaNO3、NaClO4、三氟甲磺酸钠中的一种或几种；所述的锌盐选自ZnCl2、ZnSO4、Zn(NO3)2、Zn(ClO4)2、三氟甲磺酸锌中的一种或几种；所述的锰盐选自MnCl2、MnSO4、Mn(NO3)2、Mn(ClO4)2、三氟甲磺酸锰中的一种或几种。在一种更加优选的实施方案中，本专利技术提供一种环保型水系电池，其中：所述的锌箔的厚度为10-30μm；所述的球形锌粉的平均粒度为100nm-1μm；所述的活性炭为用于超级电容的电容炭；所述的NaTi2(PO4)3的碳复合材料中碳的质量百分比含量为1-50％。本专利技术的第二个目的是提供一种如上所述的环保型水系电池的制备方法，以能够简易、低成本和无环保污染的制备具有更高的能量密度和更长的循环寿命的环保型水系电池。为实现此目的，在基础的实施方案中，本专利技术提供一种如上所述的环保型水系电池的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：(1)正极片的制备：制备正极材料后，将正极材料与导电炭黑、粘结剂混合制备正极片；(2)水系电解液的制备：所配制的水系电解液的总浓度为0.1-5mol/L；(3)负极片的制备：制备负极材料后，将其进一步制备成负极片；(4)水系电池的制备：用所述的隔膜将上述制备的正极片和负极片隔开，放入电池壳中，注入上述制备的水系电解液，最后对电池进行封装，由此制得可充电水系电池。在一种优选的实施方案中，本专利技术提供一种如上所述的环保型水系电池的制备方法，其中步骤(1)中，所述的正极材料通过砂磨法或者水热法制备。在一种优选的实施方案中，本专利技术提供一种如上所述的环保型水系电池的制备方法，其中步骤(1)中，所述的粘结剂选自聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或聚四氟乙烯(PTFE)。在一种优选的实施方案中，本专利技术提供一种如上所述的环保型水系电池的制备方法，其中步骤(3)中，所述的负极材料通过溶胶凝胶法或者固相烧结法制备。本专利技术的有益效果在于，本专利技术的环保型水系电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，本专利技术的环保型水系电池的制备方法能够简易、低成本和无环保污染的制备环保型水系电池。本专利技术使用Mn3O4作为水系电池的正极材料时，充放电的容量高，循环性能好，且材料为商业化产品，制备简单易行，成本较低。本专利技术的活性炭负极具有良好的循环稳定性和倍率性能，Mn3O4-活性炭电池电容体系也具有非常好的循环稳定性和倍率性能。可大规模放大的Mn3O4-活性炭水性可充电镁离子电池电容器系统，以500mA/g的高倍率，循环长达6000次，仍具有82mAh/g的可逆容量(基于正极质量)。考虑到正负极活性材料的总质量，在功率密度为125W/kg时，全电池的比能量可以达到20.2Wh/kg，远大于活性炭基电容器；以NaTi2(PO4)3为负极材料，比容量高，可逆充放电平台较低，Mn3O4-NaTi2(PO4)3全电池的平均放电电压高于1.2V，功率密度为48W/kg，能量密度高达47Wh/kg。此外，本专利技术的水系混合离子电池还具有超高的充电/放电速率(超过10C)和稳定的循环性能，10C倍率下可经过6000次循环；锌负极材料比容量高，可逆充放电平台较低，水系锌锰离子电池，具有较高放电比能量(电流密度100mA/g条件下，放电比能量250Wh/kg，基于正极材料)和良好的循环稳定性(电流密度500mA/g条件下，循环500次后，容量保持80％)。本专利技术的以上三种基于Mn3O4正极材料的水系可充电电池均具有能量密度高、循环寿命长的优点，且制备工艺简单、成本低、绿色环保。因此，本专利技术的水系可充电电池在大规模储能领域具有广阔的应用前景，有望应用于大型储能、电网调峰等领域。附图说明图1是本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环保型水系电池，包括正极、水系电解液、负极、隔膜，其特征在于：所述的正极的材料为Mn3O4。

【技术特征摘要】
1.一种环保型水系电池，包括正极、水系电解液、负极、隔膜，其特征在于：所述的正极的材料为Mn3O4。2.根据权利要求1所述的环保型水系电池，其特征在于：所述的正极的材料为尖晶石型Mn3O4。3.根据权利要求1所述的环保型水系电池，其特征在于：所述的水系电解液为含有镁盐、钠盐、锌盐和/或锰盐的偏中性水溶液；所述的负极的材料为锌箔、球形锌粉、活性炭、NaTi2(PO4)3和/或NaTi2(PO4)3的碳复合材料；所述的隔膜为玻璃纤维膜、聚乙烯无纺布和/或滤纸。4.根据权利要求3所述的环保型水系电池，其特征在于：所述的镁盐选自MgCl2、MgSO4、Mg(NO3)2、Mg(ClO4)2中的一种或几种；所述的钠盐选自NaCl、Na2SO4、NaNO3、NaClO4、三氟甲磺酸钠中的一种或几种；所述的锌盐选自ZnCl2、ZnSO4、Zn(NO3)2、Zn(ClO4)2、三氟甲磺酸锌中的一种或几种；所述的锰盐选自MnCl2、MnSO4、Mn(NO3)2、Mn(ClO4)2、三氟甲磺酸锰中的一种或几种。5.根据权利要求3所述的环保型水系电池，其特征在于：所述的锌箔的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹曦，王鲁鲁，陈继涛，郑俊荣，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11