铝材料作为集流体的水系电池制造技术

本发明专利技术公开了一种铝材料作为集流体的水系电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜和电解液，所述正极极片包括正极集流体和形成在所述正极集流体上的正极材料层，所述正极材料层包括正极活性物质；所述负极极片包括负极集流体和形成在所述负极集流体上的负极材料层，所述负极材料包括负极活性物质；所述正极集流体和/或所述负极集流体为铝材料；所述电解液包括水、电解质盐和稳定剂，所述稳定剂选自磷酰基类化合物、碳酰基类化合物和硫酰基类化合物中的至少之一。发明专利技术极大的拓宽了体系中水分解的电化学窗口，有效避免了因电解液中存在氢氧根、质子等对铝集流体表面氧化层的破坏、腐蚀。腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
铝材料作为集流体的水系电池


[0001]本专利技术涉及电化学储能设备领域，具体而言，本专利技术涉及铝材料作为集流体的水系电池。

技术介绍

[0002]水系电池由于具有高的工作电压、能量密度高、环境友好等优点，且水系电解液具有无毒无害、不可燃、成本低和对生产环境要求低等优点，未来在储能电池、低速动力电池等领域有巨大的应用市场，并且在对电池安全性要求高的航空航天、国防军工等领域也有广阔的应用前景。现有水系电池正极的集流体一般采用钛、不锈钢或者石墨等碳材料，负极的集流体一般采用钛、铜、不锈钢或者石墨等碳材料。采用钛箔/网成本过高，采用不锈钢也会存在慢性腐蚀现象，采用石墨等碳材料对工艺性有很大挑战，且成本也相对较高。采用铜箔/网作为集流体只能用于负极，无法应用于正极。
[0003]现有水系电池集流体一般不会采用铝箔或者铝网，因为在水性电解液中，铝箔作为集流体应用时，不可避免地存在氢氧根、质子等对铝箔表面氧化层的破坏，尤其在正极高电位情形下，铝箔迅速发生电化学腐蚀，导致正极或者负极失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现提出的：
[0005]在水系电池的水系电解液中，金属离子(例如锂离子、钠离子、或锌离子)以水合离子的形式存在，下面以锂离子为例来说，在低浓度salt in water(水包盐)体系内，Li
+
存在双层水化，首先，以Li
+
为内核，4个水偶极子通过O
‑
和Li
+
的短程静电吸附形成第1水化层，接下来，外层4个水偶极子与Li
+
通过相对长程的静电吸附以及与第1层水分子间的氢键作用，形成第2水化层，再往外，则水偶极子与Li
+
的作用逐渐消失，水分子以free H2O(自由水分子)的形式存在，水溶液整体表现为{[Li(H2O)4](H2O)4}+nH2O构型。因此，上述体系中存在的自由水会导致如下缺陷：(1)铝箔作为集流体应用时，不可避免地存在氢氧根、质子等对铝箔表面氧化层的破坏，尤其在正极高电位情形下，铝箔迅速发生电化学腐蚀，导致正极或者负极失效；(2)自由水分子在电解液中容易出现分解现象，自由水分子的分解电压限制了水系电池的电压窗口不能过高，从而导致电压窗口低；(3)当活性材料接触自由水分子时，存在活性材料溶出的现象，导致活性材料结构坍塌，因而影响电池的容量和循环性能；(4)自由水分子在电解液中容易出现析气现象，导致电池体系不稳定。在钠离子和锌离子中也会发生同样的情况，在此不再一一赘述。
[0006]而在高浓度water in salt(盐包水)体系内，随着salt in water向water in salt的转换，水溶液形成Li(H2O)
2.5
‑
TFSI类构型，从而有效的拓宽了水的电化学窗口。但盐包水体系新的问题：(1)电导率下降，倍率性能下降；(2)潜在的低温析晶问题；(3)部分盐价格非常昂贵；(4)影响电池的能量密度。
[0007]专利技术人在研究中发现，通过在水系电解液中加入稳定性更高的稳定剂，以替换水
包盐体系中的自由水分子，甚至部分替换第2和/或第1水化层的水分子，从而达到与盐包水类似的效果；同时，由于本专利技术的水系电解液为水包盐体系，因此，并不存在盐包水体系的缺陷。
[0008]鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种铝材料作为集流体的水系电池。根据本专利技术的实施例，该铝材料作为集流体的水系电池包括正极极片、负极极片、隔离膜和电解液，所述正极极片包括正极集流体和形成在所述正极集流体上的正极材料层，所述正极材料层包括正极活性物质；所述负极极片包括负极集流体和形成在所述负极集流体上的负极材料层，所述负极材料包括负极活性物质；所述正极集流体和/或所述负极集流体为铝材料；所述电解液包括水、电解质盐和稳定剂，所述稳定剂选自磷酰基类化合物、碳酰基类化合物、硫酰基类化合物和氰基类化合物中的至少之一。
[0009]根据本专利技术上述实施例的铝材料作为集流体的水系电池中，所述电解液以水为基础溶剂，添加能抑制水的活性的稳定剂，该稳定剂具有强给电子能力的磷酰基团、碳酰基团、硫酰基团或氰基团，与水化层的水分子通过分子间的氢键相互缔合，进而形成具有多层溶剂化构型的多元电解液；该多元水合离子构型的构建，一方面因缔合作用存在，使得水分子分解需要额外的解缔能；另一方面，因自由水分子的减少或消失，以及参与水化的水分子被包裹在溶剂化结构内层，空间位阻可有效阻碍水分子在充放电过程中直接参与正负极上的电化学分解反应，因此有效避免了因电解液中存在氢氧根、质子等对铝集流体表面氧化层的破坏、腐蚀，且铝集流体具有成本低、极片易大规模生产的优点。同时还极大的拓宽了体系中水分解的电化学窗口，有效避免了水分解而产生析氢析氧反应，提高了电池体系的稳定性和安全性。另外，上述稳定剂有效抑制了水的活性，从而能够抑制正极活性物质或负极活性物质因水而溶出，稳定了活性物质结构。
[0010]另外，根据本专利技术上述实施例的铝材料作为集流体的水系电池还可以具有如下附加的技术特征：
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述磷酰基类化合物选自磷酸三甲酯、磷酸三乙酯和磷酸三丁酯中的至少之一。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述碳酰基类化合物选自尿素、一甲基脲、二甲基脲和四甲基脲的至少之一。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述硫酰基类化合物为二甲基亚砜。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述氰基类化合物选自乙腈和丁二腈的至少之一。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述水和所述稳定剂的摩尔比为1:0.05～20，优选1:0.15～15。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述铝材料为铝箔或铝网。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述电解质盐在所述电解液中的浓度为0.3
‑
2.5mol/L。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述水系电池为锂离子水系电池，所述正极活性物质为能嵌入脱出锂离子的材料，所述负极活性物质为能嵌入脱出锂离子的材料，所述电解质盐为锂盐。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述正极活性物质选自锰酸锂、二氧化锰、钴酸锂、磷酸铁锂和NCM三元材料中的至少之一。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述负极活性物质选自磷酸钛锂和磷酸钛钠中的至少之一。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，所述锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、氟硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸锂、氯化锂、硝酸锂和硫酸锂中的至少之一。
[0022]在本专利技术的一些实施例中，所述水系电池为钠离子水系电池，所述正极活性物质为能嵌入脱出钠离子的材料，所述负极活性物质为能嵌入脱出钠离子的材料，所述电解质盐为钠盐。
[0023]在本专利技术的一些实施例中，所述正极活性物质选自二氧化锰、锰酸钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、磷酸铁钠和磷酸锰钠中的至少之一。
[0024]在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝材料作为集流体的水系电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜和电解液，所述正极极片包括正极集流体和形成在所述正极集流体上的正极材料层，所述正极材料层包括正极活性物质；所述负极极片包括负极集流体和形成在所述负极集流体上的负极材料层，所述负极材料包括负极活性物质；其特征在于，所述正极集流体和/或所述负极集流体为铝材料；所述电解液包括水、电解质盐和稳定剂，所述稳定剂选自磷酰基类化合物、碳酰基类化合物、硫酰基类化合物和氰基类化合物中的至少之一。2.根据权利要求1所述的铝材料作为集流体的水系电池，其特征在于，所述磷酰基类化合物选自磷酸三甲酯、磷酸三乙酯和磷酸三丁酯中的至少之一；任选地，所述碳酰基类化合物选自尿素、一甲基脲、二甲基脲和四甲基脲的至少之一；任选地，所述硫酰基类化合物为二甲基亚砜；任选地，所述氰基类化合物选自乙腈和丁二腈的至少之一。3.根据权利要求1所述的铝材料作为集流体的水系电池，其特征在于，所述水和所述稳定剂的摩尔比为1:0.05～20，优选1:0.15～15。4.根据权利要求1
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3任一项所述的铝材料作为集流体的水系电池，其特征在于，所述铝材料为铝箔或铝网；任选地，所述电解质盐在所述电解液中的浓度为0.3
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2.5mol/L。5.根据权利要求1
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3任一项所述的铝材料作为集流体的水系电池，其特征在于，所述水系电池为锂离子水系电池，所述正极活性物质为能嵌入脱出锂离子的材料，所述负极活性物质为能嵌入脱出锂离子的材料，所述电解质盐为锂盐。6.根据权利要求5所述的铝材料作为集流体的水系电池，其特征在于，所述正极活性物质选自锰酸锂、二氧化锰、钴酸锂、磷酸铁锂和NCM三...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗云峰，陈璞，
申请(专利权)人：陈璞，
类型：发明
国别省市：