一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系制造技术

本发明专利技术涉及一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，包括可存储碱金属离子的正极、高比表面积炭负极、隔膜与电解液。本发明专利技术使用的高比表面积炭负极材料化学性质稳定，绿色环保。它可以通过和电解液之间形成的双电层来存储溶剂化碱金属阳离子，而锂离子和钠离子在有机电解液中的溶剂化半径相仿，在高比表面积炭负极上的存储容量相当。本发明专利技术的电池体系在充电过程中，碱金属离子从正极材料中脱嵌，进入到电解液中，高比表面积炭负极从电解液中吸附碱金属离子；在放电过程中，碱金属离子从高比表面积炭负极脱附，进入到电解液中，电解液中的碱金属离子插嵌正极材料。该电池体系支持溶解纯粹的锂离子、钠离子或者混合锂/钠离子的电解液。子的电解液。子的电解液。

【技术实现步骤摘要】
一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系。

技术介绍

[0002]锂离子电池在现代社会运行中发挥着巨大的作用，但其大规模应用却面临着锂资源匮乏、在地球上分布不均等不利因素的严重限制。近年来，钠离子电池作为一种新兴的二次电池，有望在某些应用场景替代锂离子电池，减轻对锂资源的过度依赖。但是现阶段的钠离子电池在能量和功率密度等多项指标上都和锂离子电池存在着不小的差距。由于钠离子和锂离子电池的工作原理都是基于碱金属离子在电极材料中可逆的电化学插嵌/脱嵌反应，因此，开发能够同时兼顾锂/钠离子存储的正极材料以及相关电池体系是可能的。该种电池系统的建立在目前来看，既可以缓解锂资源的短缺，又可以弥补钠离子电池在性能上的短板；从长远来看，还会打通不同种类电池之间的技术隔阂，进一步拓宽储能体系在加工制造以及应用等方面的普适性。基于此，急需设计新型的电池构造，用以评价正极材料对锂、钠离子的存储兼容性。
[0003]既有锂离子电池(或钠离子电池)的正极材料储锂(或储钠)性能的评价往往采用锂金属负极(或钠金属负极)的半电池体系。在锂/钠离子混合的电解液体系中，如果使用单一的碱金属负极，负极上发生的碱金属不可逆溶解/沉积往往会改变电解液中碱金属离子的相对含量，从而干扰对正极材料存储锂/钠离子选择性的正确判断。另外，碱金属还原性强，在有机电解液中具有潜在的安全隐患。所以寻找一种使用可以无差别可逆存储锂/钠离子的负极材料，并且安全可靠的电池体系是非常必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决现有技术中的技术问题，提供一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，该电池体系支持溶解纯粹的锂离子、钠离子或者混合锂/钠离子的电解液。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0006]本专利技术提供一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜与电解液；所述正极包括存储碱金属离子的活性物质；所述负极包括高比表面积炭。
[0007]在上述技术方案中，优选的是，所述高比表面积炭的比表面积为10～3000m2/g。
[0008]在上述技术方案中，优选的是，所述正极包括钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍锰酸锂(LiNi
0.5
Mn
1.5
O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)等存储碱金属离子的活性物质。进一步优选的活性物质是锰酸锂(LiMn2O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)，再进一步优选的活性物质是磷酸铁锂(LiFePO4)。
[0009]在上述技术方案中，优选的是，所述正极包括活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。
进一步优选的是，所述导电剂为乙炔黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等。
[0010]在上述技术方案中，优选的是，所述负极包括高比表面积炭、导电剂、粘结剂和集流体。进一步优选的是，所述导电剂为乙炔黑，所述粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等。
[0011]在上述技术方案中，优选的是，高比表面积炭与存储碱金属离子的活性物质的质量之比为1:1～1:5。进一步优选的是，高比表面积炭与存储碱金属离子的活性物质的质量之比为1:3。
[0012]在上述技术方案中，优选的是，所述电解液包括电解质和有机溶剂，所述电解质为锂盐、钠盐或两者的混合物，所述有机溶剂为碳酸脂、腈、砜、羧酸酯、醚类有机溶剂中的一种或多种，所述锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)或双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)，所述钠盐为六氟磷酸钠(NaPF6)、高氯酸钠(NaClO4)或双氟磺酰亚胺钠(NaFSI)。
[0013]在上述技术方案中，进一步优选的是，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)，EC：EMC的体积比为3:7。
[0014]在上述技术方案中，优选的是，所述电解质在电解液中的总摩尔浓度为0.1
‑
3M。
[0015]在上述技术方案中，优选的是，所述隔膜的材料为玻璃纤维或者是聚乙烯或者是聚丙烯多孔膜。
[0016]本专利技术的有益效果是：
[0017]与现有技术相比，本专利技术的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，使用的高比表面积炭负极材料化学性质稳定，绿色环保。它可以通过和电解液之间形成的双电层来存储溶剂化碱金属阳离子，而锂离子和钠离子在有机电解液中的溶剂化半径相仿，在高比表面积炭负极上的存储容量相当。本专利技术的电池体系在充电过程中，碱金属离子从正极材料中脱嵌，进入到电解液中，高比表面积炭负极从电解液中吸附碱金属离子；在放电过程中，碱金属离子从高比表面积炭负极脱附，进入到电解液中，电解液中的碱金属离子插嵌正极材料。从理论上讲，电解液中碱金属离子浓度之和恒定。
[0018]本专利技术的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，采用正极材料为锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)；实验结果表明，两种正极材料不仅能够兼容锂/钠离子插嵌，而且在不损失太多容量的前提下，具有良好的循环性能。
[0019]特别是，磷酸铁锂是一种橄榄石结构的锂离子电池正极材料，不仅能够兼容锂/钠离子插嵌，而且在不损失太多容量的前提下，具有良好的循环性能。以LiFePO4‑
活性炭为例，开发能够同时兼顾锂/钠离子存储的电极材料以及相关电池体系是可能的。从目前来看，该种电池系统的建立既可以缓解锂资源的短缺，又可以弥补钠离子电池在性能上的短板；从长远来看，还会打通不同种类电池之间的技术隔阂，进一步拓宽储能体系在加工制造以及应用等方面的普适性。
附图说明
[0020]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
[0021]图1为本专利技术对比例1～7制备的三电极体系的分极电势曲线；
[0022]图2为本专利技术对比例8～14制备的钴酸锂
‑
活性炭扣式电池的首圈充放电曲线；
[0023]图3为本专利技术对比例8～14制备的钴酸锂
‑
活性炭扣式电池的充、放电容量和循环次数关系曲线；
[0024]图4为本专利技术对比例15～21制备的镍锰酸锂
‑
活性炭扣式电池的首圈充放电曲线；
[0025]图5为本专利技术对比例15～21制备的镍锰酸锂
‑
活性炭扣式电池的充、放电容量和循环次数关系曲线；
[0026]图6为本专利技术实施例1～7制备的锰酸锂
‑
活性炭扣式电池的首圈充放电曲线；
[0027]图7为本专利技术实施例1～7制备的锰酸锂
‑
活性炭扣式电池的充、放电容量和循环次数关系曲线；
[0028]图8为本专利技术实施例8～14制备的磷酸铁锂
‑
活性炭扣式电池的首圈充放电曲线；
[0029]图9为本专利技术实施例8～14制备的磷酸铁锂
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜与电解液；所述正极包括存储碱金属离子的活性物质；其特征在于，所述负极包括高比表面积炭。2.根据权利要求1所述的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，其特征在于，所述高比表面积炭的比表面积为10～3000m2/g。3.根据权利要求1所述的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，其特征在于，所述正极包括钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍锰酸锂(LiNi
0.5
Mn
1.5
O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)的存储碱金属离子的活性物质。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，其特征在于，所述正极包括活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。5.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电池体系，其特征在于，所述负极包括高比表面积炭、导电剂、粘结剂和集流体。6.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的评价正极材料存储锂、钠离子兼容性的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏宇，赵旭帆，徐国宝，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：