本发明专利技术属于电化学技术领域，具体涉及一种新型高性能的水系锂离子电池。本发明专利技术将有机系锂离子电池采用的离子嵌入–脱嵌机制应用于以水溶液为电解液的储能器件中。嵌入反应的离子为锂离子。本发明专利技术中，正极采用含有锂离子可嵌入化合物材料，负极采用炭包覆的C-MxTiP2O7+y(M为Fe﹑Al﹑Co﹑Ni﹑Mn﹑Zn﹑Cu离子的一种或几种)材料，电解液采用含锂离子的水系电解质。本发明专利技术具有长的循环寿命，并具有较大功率﹑安全﹑低成本和无环境污染的特点，特别适合于作为电动的汽车的理想动力电池。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学
，具体涉及一种新型高性能的水系锂离子电池。
技术介绍
随着经济的发展，人类对传统能源的过度消耗，导致能源与环境问题日益严重。现在世界上能源的年消耗量折算成石油约80亿吨，其中80%为化石燃料。按现在的消耗速度，大约100年至200年后便会枯竭。因此，新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，已成为十分紧迫的课题。发展电动的汽车势在必行，世界各国积极开发电动的汽车，目前作为电动汽车的动力电源主要有二次电池、电化学超电容器和燃料电池等，其中二次电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池和有机系锂离子电池。但从成本、安全性、电池性能及环境影响等综合面来衡量，上述电源中没有一种电源能满足电动汽车动力电源的要求。铅酸电池、镍氢、锂离子等二次电池虽有较大的能量密度，单循环寿命较短，大电流充放电性能差；并且铅酸电池比能量低，铅有毒性；现有锂离子电池由于使用有机电解液存在安全隐患。现有电化学双层电容器虽有长寿命，高输出功率，但能量密度偏低。燃料电池成本高而且输出功率(W/Kg)较小，不能满足启动、加速和爬坡等问题。为解决现有电源的上述问题，加拿大Moli Energy公司(国际专利号W095/21470)提出了水系锂离子电池，基本概念与现有的有机体系锂离子电池相似，规定正负极均采用锂离子嵌入化合物，如LiMn204、V02，LiV3O8等。但在水溶液中，当锂离子嵌入脱出过程中达到一定电位时会发生析氢、析氧反应，很难找到只发生锂离子嵌入脱出而不发生析氢、析氧的电极对材料。目前在于水系锂离子电池中，正极LiMn2O4的研究较多，对其改性后在水溶液中循环寿命可达上千次；然而负极材料的循环寿命往往都在百次以内，所以负极材料大大限制了水系锂离子电池的发展。以往的文献和专利中提到的最具希望的负极材料当属碳包覆的LiTi2 (PO4)3，其与LiMn2O4组成的LiTi2 (PO4) 3 / LiMn2O4体系，采用价格偏贵的镍网作为集流体，放电电压约1.5V，高于水的分解电压1.23V，虽然锂盐的加入可以提高水的稳定分解电压，然而水系锂电池的工作电压越高，则水的分解问题就越是不可避免。同时该体系的比容量仅为^mAhg-1,其大倍率(7C)循环性能尚可，但是其寿命要远远低于超级电容器。水系锂离子电池若要作为动力电池使用，必须具备良好的持久放电(小倍率放电)能力，遗憾的是其中、小倍率循环性能没见报道。这足以说明碳包覆的LiTi2(PO4)3在水性电解液中小倍率循环性能不佳，因此目前水系锂离子电池的瓶颈问题在于研究一种更稳定的水系锂电池体系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:现有技术中，水系锂离子电池作为动力电池使用时，小倍率循环性能不佳。为解决这一技术问题，本专利技术提供的技术方案是: 本专利技术提供了一种水系锂离子电池，由正极膜、负极膜、介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解液组成，其中，正极膜采用锂离子可嵌入和脱出的嵌入化合物，即过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物；负极膜采用碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y，材料中，碳质量含量为1%_10%，金属氧化物MxOy质量含量为1%_10% ;电解质中，阳离子为锂离子，碳包覆层既可降低析氢反应电位(具体表现为表I中的不同电池体系的充放电效率，已有研究表明水系锂电池充放电效率之所以很低，其主要原因是水溶液的分解，即析氢析氧反应)，又可降低TiP2O7的衰减，金属氧化物MxOy的引入既可以提高材料结构的稳定性，又能提高材料的倍率容量以及倍率性能，进而保证整个电池体系的循环性能。作为优选:碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y中，M选自Fe、Al、Co、N1、Mn、Zn或Cu离子的一种或几种；作为优选:碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y的制备方法为，称取TiP2O7和金属源材料并混合均匀，然后加入碳源水溶液，在40°C连续搅拌直至混合物干燥，最后将上述混合物于氮气气氛下700°C煅烧I小时，即得碳包覆的C-MxTiP207+y，进一步地:金属源材料选自草酸亚铁、氧化亚铁、乙酸镍或乙酸锌，进一步地:碳源水溶液选自蔗糖溶液、淀粉溶液、葡萄糖溶液、聚乙烯醇溶液或聚乙烯吡咯烷酮溶液；作为优选:正极嵌入化合物选自LiMn2O4、LiCoO2、LiCoai9Nia81O2、LiNil73Mnl73Col73O2 , LiNiO2、LiFePO4、LiSiPO4、LiMnPO4、LiCoPO4、导电聚合物聚苯胺或聚吡咯，作为优选:正极材料和负极材料中，加入了导电剂和粘结剂，进一步地:导电剂选自石墨，炭黑或乙炔黑，用量为电极材料质量的10%20% ；粘结剂选自聚四氟乙烯或水溶性橡胶，用量为电极材料质量的10%_20% ；作为优选:电解质选自LiSO4、LiCl、LiNO3、LiOH、LiCl 或 CH3C00Li 中一种或几种的混合水溶液，其浓度为I摩尔/升-5摩尔/升，进一步地:为提高离子电导率和离子传递速度，还可以加入适量支持电解质，如KCl ,K2SO4 等;作为优选:隔膜选自玻璃纤维隔膜、多孔聚苯烯隔膜或滤纸，作为优选:本专利技术电池形状为圆筒型、方型或钮扣型。本专利技术提出的可充电池的基本工作原理如下:对装成的电池，首先必须进行充电，充电过程中，锂离子从正极脱出，通过电解液，锂离子嵌入负极；放电过程中，锂离子从负极脱出，通过电解液，锂离子嵌入正极，充放电过程中，只涉及锂离子在两电极间的转移。因此称本专利技术电池为水系可充锂离子电池。本专利技术的有益效果是:本专利技术的新型水系可充锂离子电池是二次电池领域的拓展，是水系可充锂离子电池负极材料领域的又一大突破。本专利技术的水系可充锂离子电池有长的循环寿命，并具有较大功率、安全、低成本和无环境污染的特点，特别适合于作为电动的汽车的理想动力电池。附图说明图1是TiP2O7 (纯)/ LiMn2O4体系充放电曲线图；图 2 是 C (2%) -Fe0.12TiP207.12 / LiMn2O4 体系(I)和 C (2%) -TiP2O7 / LiMn2O4 体系(2)的充放电曲线图；图3是以铁的氧化物掺杂为例，当掺杂质量分数在本专利规定之外的改性焦磷酸钛组成电池的充放电曲线图，(曲线I和曲线2所示体系负极材料分别为，C(2%)-Fe0.02TiP2O7.02 和 C(2%)-FeQ.6TiP207.6，其中氧化亚铁掺入量分别为 0.64%和 19.25%)，这说明氧化亚铁掺入量过少，就和仅仅炭包覆一样不能提高容量；相反，氧化亚铁掺入量过多，会使得活性物质含量降低，影响改性材料的单位质量的容量。具体实施例方式实施例1:正极使用商业级的尖晶石型LiMn2O4,楽;料配比按照LiMn2O4:导电剂(乙炔黑):粘结剂(聚四氟乙烯)=80:10:10混浆，然后用轧机压制成膜，将上述压制的膜在真空干燥箱中于100°C下恒温干燥6小时。负极材料使用纯的TiP2O7,其合成方法如下所述:将TiO2 (1.20g, 15mmol)和NH4H2PO4 (3.45g, 30mmol)按化学计量比混合研磨，然后加入适量(40mL)蒸馏水，在80°C连续搅拌直至混合物干燥，最后将上述混合物置于舟型坩埚中，再于空气中700°C煅烧6本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水系锂离子电池，由正极膜﹑负极膜﹑介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解液组成，其特征在于：所述正极膜采用锂离子可嵌入和脱出的嵌入化合物；负极膜采用碳包覆嵌入化合物材料C?MxTiP2O7+y，材料中，碳质量含量为1%?10%，金属氧化物MxOy质量含量为1%?10%；电解质中，阳离子为锂离子。
【技术特征摘要】
1.一种水系锂离子电池，由正极膜、负极膜、介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解液组成，其特征在于:所述正极膜采用锂离子可嵌入和脱出的嵌入化合物；负极膜采用碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y，材料中，碳质量含量为1%-10%，金属氧化物MxOy质量含量为1%-10% ；电解质中，阳离子为锂离子。2.按权利要求1所述的水系锂离子电池，其特征在于:所述的碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y 中，M 选自 Fe、Al、Co、N1、Mn、Zn 或 Cu 离子的一种或几种。3.按权利要求1所述的水系锂离子电池，其特征在于:所述的碳包覆嵌入化合物材料C-MxTiP207+y的制备方法为，称取TiP2O7和金属源材料并混合均匀，然后加入碳源水溶液，在40°C连续搅拌直至混合物干燥，最后将上述混合物于氮气气氛下700°C煅烧I小时，即得碳包覆的 C-MxTiP207+y。4.按权利要求3所述的水系锂离子电池，其特征在于:所述的金属源材料选自草酸亚铁、氧化亚铁、乙酸镍或乙酸锌。5.按权利要求3所述的水系锂离子电池，其特征在于:所述的碳源水溶液选自蔗...
【专利技术属性】
技术研发人员：张汉平，李成钢，杜青，孙晓辉，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：
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