双离子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，具体涉及一种双离子电池及其制备方法。该双离子电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，所述电解液为离子液体，所述离子液体由有机阳离子和有机阴离子组成，所述电解液中无金属离子。该双离子电池中的电解液为有机阳离子和有机阴离子组成的离子液体，这样电极反应中不涉及任何金属的反应，因此不会出现金属枝晶的问题，可以从源头上避免了枝晶的产生，从而从原理上实现了电池的安全性，同时该双离子电池使用了不易燃烧的离子液体作为电解液，降低了着火的风险，相比传统的基于低沸点有机溶剂的电解液进一步提升了电池的安全性。

Double ion battery and its preparation

【技术实现步骤摘要】
双离子电池及其制备方法
本专利技术属于电池
，具体涉及一种双离子电池及其制备方法。
技术介绍
可充电的锂离子电池因其能量密度高，循环寿命长以及稳定性好等优点成为目前最成功的商业化二次电池，但锂资源的匮乏性以及人们对锂离子电池需求的持续增长意味着大规模储能体系全部依赖于锂离子电池是不可靠的。因对锂资源匮乏的担心引发了大量基于其他丰富且廉价金属离子电池的研究，如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池以及钙离子电池等。总之，开发基于其他金属离子的二次电池是目前储能领域的主流研究方向。然而，传统的基于金属离子的电池存在金属枝晶以及不可控的界面化学活性的问题，这些问题会造成隔膜穿透，从而引发热失控甚至着火爆炸的危险。虽然近期的一些研究，如调节电解液成分以及添加剂种类，纳米界面设计以及新型集流体设计等，已经取得了一些进展，但是这样进展并不能完全保证消除金属枝晶，从而不能实现电池的百分百安全。目前为解决锂离子电池、钠离子电池等以金属离子与正负极反应实现储能的电池体系的安全性问题，通常采用的方案包括如下几类：第一，采用力学性能好的安全性隔膜或者直接使用固态电解质阻挡金属枝晶穿透隔膜，从而避免正负极短路引起的安全性问题；第二，通过调节电解液浓度、添加剂的数量和种类实现枝晶的细小化，从而使得细小的枝晶无法穿透隔膜；第三，通过集流体的三维化设计限制枝晶生长方向或者限制枝晶直径和长度，避免其达到隔膜处。总之，上述解决方案是通过对锂枝晶的围追堵截的方式避免枝晶穿透隔膜从而实现电池的安全性，但不能从源头上根本避免枝晶的产生。因此，现有技术有待改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双离子电池及其制备方法，旨在解决现有二次电池无法避免金属枝晶的产生，从而影响其安全性的技术问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术一方面提供一种双离子电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，所述电解液为离子液体，所述离子液体由有机阳离子和有机阴离子组成，所述电解液中无金属离子。本专利技术提供的双离子电池中，电解液为有机阳离子和有机阴离子组成的离子液体，即电解质阳离子为有机阳离子、电解质阴离子为有机阴离子，这样电解液中不含任何金属离子，这样的双离子电池的电极反应中不涉及任何金属的反应，因此不会出现金属枝晶的问题，可以从源头上避免了枝晶的产生，从而从原理上实现了电池的安全性，同时该双离子电池使用了不易燃烧的离子液体作为电解液，降低了着火的风险，相比传统的基于低沸点有机溶剂的电解液进一步提升了电池的安全性；而且作为替换金属阳离子与负极发生反应的有机阳离子，具有储量丰富、种类多样以及易于处理的优势。因此，该双离子电池效果显著优于现有技术。本专利技术另一方面提供一种双离子电池的制备方法，包括以下步骤：按照本专利技术所述的双离子电池的组成，提供所述双离子电池中的正极、负极、隔膜和电解液；将所述正极、负极、隔膜和电解液进行组装，得到所述双离子电池。本专利技术提供的双离子电池的制备方法，以有机阳离子和有机阴离子组成离子液体作为电解液，并和正极、负极以及隔膜进行组装得到，工艺简单安全，最终得到的双离子电池的电极反应中不涉及任何金属的反应，因此不会出现金属枝晶的问题，可以从源头上避免了枝晶的产生，从而从原理上实现了电池的安全性，而且离子液体不易燃烧，降低了着火的风险，相比传统的基于低沸点有机溶剂的电解液进一步提升了电池的安全性，最终提升了该双离子电池制备和使用的环境相容性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的双离子电池的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的双离子电池的循环性能图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一方面，本专利技术实施例提供了一种双离子电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，所述电解液为离子液体，所述离子液体由有机阳离子和有机阴离子组成，所述电解液中无金属离子。本专利技术实施例提供的双离子电池中，电解液为有机阳离子和有机阴离子组成的离子液体，即电解质阳离子为有机阳离子、电解质阴离子为有机阴离子，这样电解液中不含任何金属离子，这样的双离子电池的电极反应中不涉及任何金属的反应，因此不会出现金属枝晶的问题，可以从源头上避免了枝晶的产生，从而从原理上实现了电池的安全性，同时该双离子电池使用了不易燃烧的离子液体作为电解液，降低了着火的风险，相比传统的基于低沸点有机溶剂的电解液进一步提升了电池的安全性；而且作为替换金属阳离子与负极发生反应的有机阳离子，具有储量丰富、种类多样以及易于处理的优势。因此，该双离子电池效果显著优于现有技术。目前避免枝晶穿透隔膜的思路是通过围追堵截解决锂枝晶问题，而本专利技术实施例的思路是以不会产生金属枝晶的有机离子替代传统的金属离子，从而从源头上避免了枝晶的产生。本专利技术实施例提供了由正极、负极、介于两者之间的隔膜和不含金属离子的离子液体构成的新型二次电池结构，该双离子电池的反应特征为：正极为有机阴离子的插层反应，充放电曲线有平台，循环伏安曲线有氧化还原峰；负极为有机阳离子的吸附，插层或者氧化还原反应；其中，有机阴离子的插层反应可以完全避免正极与金属离子的反应，这为无金属离子参与的二次电池的开发提供了可能，而作为可以替换金属阳离子与负极发生反应的有机阳离子具有储量丰富、种类多样以及易于处理的优势，尤为重要的是有机阳离子与负极的反应可以完全地避免枝晶的产生。因此，本专利技术实施例提供的双离子电池的电极反应中不涉及任何金属的反应，从而从源头上使得材料不产生枝晶，完全避免了金属枝晶的产生，从根本上保证了电池的安全性。在一实施例中，该双离子电池中的所述离子液体选自N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐(1-Butyl-1-methylpyrrolidiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imide，P14TFSI)、N-丁基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐(N-butylpyridiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imide，BPyTFSI)、N-丁基吡啶四氟硼酸盐(N-butylpyridiniumtetrafluoroborate，BPyBF4)、N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐(N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammoniumtetrafluoroborate，N122,1O2BF4)、N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐(1-Butyl-1-methylpiperidiniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imide，PP14TFSI)、N-丁基-N-甲基吡咯烷溴盐(N-butyl-N-methylpyrrolidiniumbromide，P14Br)、三丁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双离子电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，其特征在于，所述电解液为离子液体，所述离子液体由有机阳离子和有机阴离子组成，所述电解液中无金属离子。/n

【技术特征摘要】
20190828 CN 20191080260171.一种双离子电池，包括正极、负极以及位于所述正极与所述负极之间的隔膜和电解液，其特征在于，所述电解液为离子液体，所述离子液体由有机阳离子和有机阴离子组成，所述电解液中无金属离子。


2.如权利要求1所述的双离子电池，其特征在于，所述离子液体选自选自N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-丁基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-丁基吡啶四氟硼酸盐、N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐、N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-丁基-N-甲基吡咯烷溴盐、三丁基甲基氯化铵、三丁基甲基铵双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、N-乙基吡啶溴盐、N-辛基吡啶溴盐和三丁基乙基溴化膦中的至少一种。


3.如权利要求1所述的双离子电池，其特征在于，所述离子液体为N-丁基-N-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。


4.如权利要求1-3任一项所述的双离子电池，其特征在于，所述正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的正极活性层，所述正极活性层含有正极活性材料、导电剂和粘结剂。


5.如权利要求4所述的双离子电池，其特征在于，所述正极集流体的材料选自铝、锂、镁、钒、铜、铁、锡、锌、镍、钛和锰中的任意一种金属单质，或选自包含铝、锂、镁、钒、铜、铁、锡、锌、镍、钛和锰中的至少一种元素的金属合金，或选自包含铝、锂、镁、钒、铜、铁、锡、锌、镍、钛和锰中的至少一种元素的金属复合物；和/或，
所述正极活性材料选自具有层状晶体结构的石墨类材料、硫化物、氮化物、氧化物和碳化物中的至少一种。


6.如权利要求5所述的双离子电池，其特征在于，所述石墨类材料选自天然石墨、人造石墨和石墨烯中...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，张苗，周小燕，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44