一种新型水系二次锂电池及其负极材料和制备方法及用途技术

本发明专利技术涉及一种新型水系二次锂电池及其负极材料和制备方法及用途，新型水系二次锂电池包括：正极、负极、隔膜和混合盐电解液；负极的负极材料包括二元铌基氧化物复合材料，通式为：xM

【技术实现步骤摘要】
一种新型水系二次锂电池及其负极材料和制备方法及用途


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种新型水系二次锂电池及其负极材料和制备方法及用途。

技术介绍

[0002]随着二次电池技术的发展，水系电池相比于有机离子电池具有高安全性、高安全性、环境友好等优势，近年来受到了广泛关注。但是水系电池的短板是能量密度依然很低。因此急需开发更高能量密度的水系电池体系。
[0003]盐包水(Water
‑
in
‑
salt，WIS)电解液由于具有3V的高电化学稳定窗口(ESW),近年来已成为一种很有前景的新型电解液体系，它为拓宽水系电化学窗口提供了解决方案，基于WIS电解液体系开发具有更高比容量的水系电池电极材料是一个重要的研究方向。
[0004]不过我们在研究中发现，尽管WIS电解质在一定程度上能够拓宽水系电解液的电化学稳定窗口，但是当具有较低氧化还原电位的材料用于水系锂离子电池负极时，在负极界面处总是伴随着严重的析氢副反应，水系电解液还会存在严重的“Cathodic limit”等问题。极大的限制了水系电池在实际中的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种新型水系二次锂电池及其负极材料和制备方法及用途。新型水系二次锂电池的负极材料包括由氧化铌和宽禁带氧化物组成的二元氧化物，得益于其宽的带隙宽度(>3.0eV)，在负极界面处可有效地抑制析氢副反应的发生，进而实现了具有较低氧化还原电位的二元铌基氧化物材料在水系电池负极的稳定工作。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种新型水系二次锂电池，包括：正极、负极、隔膜和混合盐电解液；
[0007]所述负极的负极材料包括二元铌基氧化物复合材料；所述二元铌基氧化物复合材料的通式为：xM
a
O
b
·
yNb2O5；其中，1≤x≤9，1≤y≤9，1≤a≤3，1≤b≤5；M选自Mg、Al、P、Ti、V、Zn、Ge、Zr、Hf中的一种或几种；其中，M
a
O
b
的带隙宽度>3.0eV，用以提高负极界面处的析氢过电位；
[0008]所述混合盐电解液具体包括水系Li盐与碱金属离子盐、大阳离子有机盐中的至少一种组成的混合盐电解液，其中，所述混合盐电解液中，水系Li盐与所述碱金属离子盐和大阳离子有机盐总量的摩尔比不小于1:10。
[0009]优选的，所述正极的正极材料包括：LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、LiNi
0.6
Co
0.2
Mn
0.2
O2、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2、LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2、LiNi
0.8
Co
0.15
Al
0.05
O2、Li2CoMnO4、Li2MnO3中的一种或多种混合；
[0010]所述隔膜为玻璃纤维、聚丙烯隔膜、无纺布隔膜、聚乙烯隔膜或聚四氟乙烯隔膜中的任一种。
[0011]优选的，所述水系Li盐包括：LiPF6、LiBF4、LiNO3、LiCl、LiClO4、Li2SO4、LiAc、
LiTFSI、LiOTF、LiFSI、LiBETI中的一种或多种混合；
[0012]所述碱金属离子盐包括Na盐和/或K盐；
[0013]所述Na盐包括：NaPF6、NaBF4、NaNO3、NaCl、NaClO4、Na2SO4、醋酸钠NaAc、NaTFSI、NaOTF、NaFSI、NaBETI中的一种或多种混合；
[0014]所述K盐包括KPF6、KBF4、KNO3、KCl、KClO4、K2SO4、KAc、KTFSI、KOTF、KFSI、KBETI中的一种或多种混合；
[0015]所述大阳离子有机盐中的阳离子包括咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子、季鏻盐离子或叔鋶盐离子中的一种或多种混合，阴离子包括：Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
、PF6‑
、BF4‑
、CN
‑
、SCN
‑
、[N(CF3SO2)2]‑
、[N(CN)2]‑
中的一种或多种混合；
[0016]所述混合盐电解液中，水系Li盐与所述碱金属离子盐和大阳离子有机盐总量的摩尔比在1:10至10:1之间。
[0017]优选的，所述正极和/或负极还包括集流体；所述集流体具体包括钛、铜、铂、镍、金、钨、钼、钽和碳中的任一种，形态为泡沫状、网状、片状、碳纤维布状或热解石墨片状中的一种。
[0018]优选的，所述正极和/或负极还包括粘结剂和导电添加剂；
[0019]所述粘结剂包括：聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE、丙烯酰胺
‑
丙烯酸酯共聚物、海藻酸钠，β
‑
环糊精中的一种或多种混合；
[0020]所述导电添加剂包括：石墨烯、乙炔黑、科琴黑、Super P、碳纳米管、碳纤维、BP2000、Vulcan XC或Denka中的一种或多种混合。
[0021]第二方面，本专利技术实施例提供了一种用于上述第一方面所述的新型水系二次锂电池的负极材料，所述负极材料包括二元铌基氧化物复合材料；
[0022]所述二元铌基氧化物复合材料的通式为：xM
a
O
b
·
yNb2O5；其中，1≤x≤9，1≤y≤9，1≤a≤3，1≤b≤5；M选自Mg、Al、P、Ti、V、Zn、Ge、Zr、Hf中的一种或几种；其中，M
a
O
b
的带隙宽度>3.0eV，用以提高负极界面处的析氢过电位。
[0023]优选的，所述二元铌基氧化物复合材料具有m
×
n
×
∞型剪切
‑
ReO3结构，其中m，n均为正整数。
[0024]第三方面，本专利技术实施例提供了一种上述第二方面所述的负极材料的制备方法，包括：
[0025]将所需化学计量比的M源和Nb源通过固相球磨法或溶胶凝胶法混合后，在空气或者惰性气体气氛中烧结，得到二元铌基氧化物复合材料xM
a
O
b
·
yNb2O5即为所述负极材料；
[0026]其中，所述烧结的温度为500℃
‑
1400℃，烧结的时间为1
‑
72小时。
[0027]优选的，所述M源为Mg、Al、P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型水系二次锂电池，其特征在于，所述新型水系二次锂电池包括：正极、负极、隔膜和混合盐电解液；所述负极的负极材料包括二元铌基氧化物复合材料；所述二元铌基氧化物复合材料的通式为：xM
a
O
b
·
yNb2O5；其中，1≤x≤9，1≤y≤9，1≤a≤3，1≤b≤5；M选自Mg、Al、P、Ti、V、Zn、Ge、Zr、Hf中的一种或几种；其中，M
a
O
b
的带隙宽度>3.0eV，用以提高负极界面处的析氢过电位；所述混合盐电解液具体包括水系Li盐与碱金属离子盐、大阳离子有机盐中的至少一种组成的混合盐电解液，其中，所述混合盐电解液中，水系Li盐与所述碱金属离子盐和大阳离子有机盐总量的摩尔比不小于1:10。2.根据权利要求1所述的新型水系二次锂电池，其特征在于，所述正极的正极材料包括：LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、LiNi
0.5
Mn
1.5
O4、LiNi
0.6
Co
0.2
Mn
0.2
O2、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2、LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2、LiNi
0.8
Co
0.15
Al
0.05
O2、Li2CoMnO4、Li2MnO3中的一种或多种混合；所述隔膜为玻璃纤维、聚丙烯隔膜、无纺布隔膜、聚乙烯隔膜或聚四氟乙烯隔膜中的任一种。3.根据权利要求1所述的新型水系二次锂电池，其特征在于，所述水系Li盐包括：LiPF6、LiBF4、LiNO3、LiCl、LiClO4、Li2SO4、LiAc、LiTFSI、LiOTF、LiFSI、LiBETI中的一种或多种混合；所述碱金属离子盐包括Na盐和/或K盐；所述Na盐包括：NaPF6、NaBF4、NaNO3、NaCl、NaClO4、Na2SO4、醋酸钠NaAc、NaTFSI、NaOTF、NaFSI、NaBETI中的一种或多种混合；所述K盐包括KPF6、KBF4、KNO3、KCl、KClO4、K2SO4、KAc、KTFSI、KOTF、KFSI、KBETI中的一种或多种混合；所述大阳离子有机盐中的阳离子包括咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子、季鏻盐离子或叔鋶盐离子中的一种或多种混合，阴离子包括：Cl
‑
、Br
‑
、I
‑
、PF6‑
、BF4‑
、CN
...

【专利技术属性】
技术研发人员：索鎏敏，朱祥振，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：