一种高比能量纳米氧化物储能电池制造技术

一种高比能量纳米氧化物储能电池，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液，其特征在于，正极片由正极活性材料，即采用原位水热法或机械混合法掺杂制备的掺杂质量百分含量为１～２０％纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯、溶剂Ｎ－甲基吡咯烷酮混合成的正极浆料及正极集流体铝箔组成，负极片为锂片，隔膜为微孔聚丙烯膜，电解液为含１ｍｏｌ／Ｌ?ＬｉＦ６的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液。该储能电池具有优异的充放电循环性能、较高的比容量和比能量，当纳米钛氧化物的掺杂量为１％，充放电电流密度为１２ｍＡｈ／ｇ时，其首次放电比能量高达５３３．２Ｗｈ／ｋｇ，有望发展成为锂离子电池、超级电容器或混合电池的电极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种高比能量纳米氧化物储能电池，属于储能电池领域。
技术介绍
WO3是一种新型的半导体材料，也是少数几种易于实现量子尺寸效应的氧化物半 导体之一，兼具电致变色、吸收、催化等特性，已被广泛用于燃料电池、化学传感器、光电器 件等领域，是一种很有潜力的多功能材料。WO3及其化合物所具有的电子和电化学性能使其 可作为电致变色器件和储能器件的正极材料。其中，六方、单斜和正交WO3(Huang C C,Xing W, Zhuo S P. Scrip at Materialia, 61 (10) :985_987，2009.)以及六方 LixW03_x/2 等均可用 作储能器件的电极材料，其中六方WO3容量更高、有更高的Li+扩散系数、Li+插入的可逆性 更强(Aishui Y, Naaki K, Liu Z L, et al. J. Solid State Electr.，2 :394_400，1998.)。 这主要是由于六方WO3呈现层状结构，并在层堆积的W01]晶轴方向上形成一维六方通道， 为Li+的嵌入和脱出提供了便捷通道。由于纳米材料不仅具有比表面积大，离子扩散路径短，蠕动性强和塑性高等优点， 而且均一、高度有序的一维纳米结构及其内部多面体之间的柔性连接将使其不像块体材料 那样发生严重的结构扭曲和畸变，从而会有效地增强其结构稳定性。因此，纳米材料在电化 学储能和能量转化领域具有广阔的应用前景，已成为新能源材料领域研究的重点和发展方 向。本专利技术综合了上述两方面的优点即，(1)六方相WO3容量更高、有更高的Li+扩散系 数、Li+插入的可逆性更强；(2)纳米材料具有比表面积大，离子扩散路径短，蠕动性强和塑 性高，结构稳定。在此基础上本专利技术采用掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线作为储 能电池的正极活性材料，以锂片为负极，提供一种高比能量纳米氧化物储能电池。
技术实现思路
任何储能电池其电极活性材料的嵌锂容量、库仑效率、充放电循环可逆性和电化 学性能稳定性都与电极活性材料的表面形貌有很大的关系。本专利技术提供一种高比能量纳米 氧化物储能电池，包括以下步骤1、一种高比能量纳米氧化物储能电池，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液， 其中，正极片由作为正极活性材料的掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线、导电剂乙 炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯、溶剂N-甲基吡咯烷酮混合成的正极浆料及正极集流体铝箔组 成，负极片为锂片，隔膜为Celgard2400微孔聚丙烯膜，电解液为含lmol/L LiF6的碳酸乙 烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，其中，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比为1 1。2、将外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液组装成CR2032型纽扣电池，整个电池组 装过程均在有高纯氩气保护的手套箱中进行。步骤1中所述正极活性材料为采用原位水热法或机械混合法掺杂制备的掺杂质 量百分含量为1 20%纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线，所述纳米钛氧化物不仅包括 以工业级硫酸氧钛为原料，去离子水为溶剂，在100 130°C进行充分热水解得到的无定形态纳米钛氧化物以及该无定形态纳米钛氧化物在空气或氮气或氩气气氛下于350°C以下包 括350°C培烧2h的产物，而且还包括通过水热法制备的各种钛氧化物纳米颗粒、纳米棒、纳 米管、纳米线，或者两种及两种以上上述纳米钛氧化物的混合物；所述六方相氧化钨纳米线 采用水热法制备。步骤1中所述正极浆料各主要成分的质量百分比配方范围为正极活性材料 75% 90%，导电剂5% 20%，粘结剂5% 20%。步骤1中所述正极浆料的制备过程为，先将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮 中，然后将研磨均勻的掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线和乙炔黑的混合物加入到 上述溶液中，再经真空搅拌、超声分散制备而成。步骤1中所述正极片的制备过程是，用刮刀将正极浆料在正极集流体铝箔上流延 后，在70°C的空气中干燥4h，然后冲成直径为14mm的圆片即为正极片。本专利技术的优点和积极效果是(1)结合纳米材料具有比表面积大，离子扩散路径 短，蠕动性强和塑性高，结构稳定的特点以及六方相WO3容量更高、有更高的Li+扩散系 数、Li+插入的可逆性更强的优点，以掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线作为正极 活性材料制备高比能量的储能电池，当纳米钛氧化物的掺杂量为1%，充放电电流密度为 12mAh/g时，该储能电池的首次放电比能量高达533.2Wh/kg。(2)本专利技术提供的一种高比能 量纳米氧化物储能电池，具有较高的比容量和比能量，有望发展成为锂离子电池、超级电容 器或混合电池的电极材料。(3)本专利技术提供的一种高比能量纳米氧化物储能电池，其生产设 备简单，工艺路线简单易行，烧结过程中气体产生量少，适合规模化生产。附图说明图1为水热法制备的六方相氧化钨纳米线的充放电循环性能曲线；图2为实施例1中掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线的充放电循环性 能曲线。具体实施例实施例1以工业级硫酸氧钛(TiOSO4 ·H2SO4 ·8Η20)为原料，去离子水为溶剂，在一定温度下 用热解法制备的原产物，即无定形态的纳米钛氧化物作为高比能量纳米氧化物储能电池正 极活性材料的掺杂物。以掺杂上述无定形纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线作为高 比能量纳米氧化物储能电池的正极活性材料。先将0. Ig粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在5ml的N-甲基毗咯烷酮(NMP)中，再 将研磨均勻的0. Sg上述活性材料和0. Ig导电剂乙炔黑的混合物加入到上述溶液中，然后 经快速真空搅拌lh、超声分散0. 5h、快速真空搅拌3h。最后用刮刀在集流体铝箔上流延，并 将流延后的膜片在70°C中干燥4h获得正极膜片。组装高比能量纳米氧化物储能电池将上述膜片冲成直径为14mm的圆片作为电 池正极片，以锂片作为负极，隔膜采用Celgard2400，以含有lmol/L LiF6的EC DMC (体积 比为1 1)的有机电解液作为电解液，组装成CR2032型纽扣测试电池，整个电池组装过程 均在有高纯氩气保护的手套箱中进行。4图1为为水热法制备的六方相氧化钨纳米线的充放电循环性能曲线，图2为实施 例1中掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线的充放电循环性能曲线，即当纳米钛 氧化物的掺杂量为1%，充放电电流密度为12mAh/g时，该储能电池的首次放电比容量为 357. 2mAh/g，放电比能量高达533. 2Wh/kg。从图1和图2可以看出，经纳米钛氧化物掺杂 后，可以获得高比能量的纳米氧化物储能电池。实施例2以工业级硫酸氧钛(TiOSO4 ·H2SO4 ·8Η20)为原料，去离子水为溶剂，在一定温度下 用热解法制备的原产物，即无定形态的纳米钛氧化物为高比能量纳米氧化物储能电池正极 活性材料的掺杂物。以掺杂20%上述无定形纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线作为高比 能量纳米氧化物储能电池的正极活性材料。先将0. 05g粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在5ml的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中， 再将研磨均勻的0. 9g上述活性材料和0. 05g导电剂乙炔黑的混合物加入到上述溶液中，然 后经快速真空搅拌lh、超声分散0. 5h、快速真空搅拌3h。最后用刮刀在集流体铝箔上流延， 并将流延后的膜片在70本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比能量纳米氧化物储能电池，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液，其特征在于，正极片由正极活性材料，即掺杂质量百分含量为１～２０％纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯、溶剂Ｎ－甲基吡咯烷酮混合成的正极浆料及正极集流体铝箔组成，负极片为锂片，隔膜为Ｃｅｌｇａｒｄ２４００微孔聚丙烯膜，电解液为含１ｍｏｌ／ＬＬｉＦ↓［６］的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，其中，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比为１∶１。

【技术特征摘要】
一种高比能量纳米氧化物储能电池，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液，其特征在于，正极片由正极活性材料，即掺杂质量百分含量为1～20％纳米钛氧化物的六方相氧化钨纳米线、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯、溶剂N 甲基吡咯烷酮混合成的正极浆料及正极集流体铝箔组成，负极片为锂片，隔膜为Celgard2400微孔聚丙烯膜，电解液为含1mol/L LiF6的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，其中，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的体积比为1∶1。2.根据权利要求1所述的一种高比能量纳米氧化物储能电池，其特征在于，将外壳、正 极片、负极片、隔膜和电解液组装成CR2032型纽扣电池，整个电池组装过程均在有高纯氩 气保护的手套箱中进行。3.根据权利要求1所述的一种高比能量纳米氧化物储能电池，其特征在于，所述正极 活性材料为采用原位水热法或机械混合法掺杂制备的掺杂纳米钛氧化物的六方相氧化钨 纳米线，所述纳米钛氧化物不仅包括以工业级硫酸氧钛为原料，去离子水为溶剂，在100 130°C进行充分热水解得到的无定形...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，徐宇兴，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]