CN105322241A - 一种水系离子交换电池 - Google Patents

一种水系离子交换电池 Download PDF

Info

Publication number
CN105322241A
CN105322241A CN201510750694.5A CN201510750694A CN105322241A CN 105322241 A CN105322241 A CN 105322241A CN 201510750694 A CN201510750694 A CN 201510750694A CN 105322241 A CN105322241 A CN 105322241A
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative
film
ion
water system
nati
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510750694.5A
Other languages
English (en)
Inventor
童祥
陶海升
甘露
侯丁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Normal University
Original Assignee
Anhui Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Normal University filed Critical Anhui Normal University
Priority to CN201510750694.5A priority Critical patent/CN105322241A/zh
Publication of CN105322241A publication Critical patent/CN105322241A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种水系离子交换电池，所述的电池由正极膜、负极膜、隔膜、电解液组成，所述的负极膜包括负极活性材料、导电材料、粘接剂，所述的负极活性材料为NaTi2(PO4)3，负极活性材料占总负极膜质量的65％～85％。本发明与现有技术相比，具有功率密度大、能量密度高、循环寿命长、绿色安全所用电解液为安全无毒廉价的含钠、锂的盐水溶液。避免了传统有机电解液带来的易燃易爆，对环境污染严重问题。实现了绿色环保安全的目的。降低了原材料成本，是一种可持续发展的电池体系。

Description

一种水系离子交换电池
技术领域
本发明涉及一种离子交换电池，属于二次电池领域。
背景技术
随着可持续发展战略在世界范围内的实施，新能源的开发与利用显得尤为重要。化学电池在新能源的存储和转化中起到了非常关键的作用。虽然传统的锂离子电池具有能量密度高，但有机电解液的安全性差，成本高，在大规模储能设备应用上受限制。
本发明开发了一种交换离子水系电池系统，该电池的原理：在充放电过程中，一种金属离子从正极材料中脫出/嵌入，另外一种金属离子从负极材料中嵌入/脱出。电解液是由上述两种金属离子组成的混合水系电解液。
现代社会对电子产品的需求更大，而作为主要电源的锂电储能系统消耗大量的锂源储备，锂在地球的储量有限，而且价格昂贵。那么需要开发其他的储能系统，来减少对锂源的依赖。钠是地壳中储量丰富的几种元素之一，与锂的化学性质相似。可以很好的储存电子，有望代替锂作为储能材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低的水系离子交换电池。
本发明解决技术问题的技术方案为：一种水系离子交换电池，由正极膜、负极膜、隔膜、电解液组成，所述的负极膜包括负极活性材料、导电材料、粘接剂，所述的负极活性材料为NaTi2(PO4)3，负极活性材料占总负极膜质量的65％～85％。
所述的负极膜的负极活性材料为碳包覆的NaTi2(PO4)3，负极活性材料占总负极膜质量的65％～85％。
所述的正极膜包括正极活性材料、导电材料、粘接剂，所述的正极活性材料为LiMn2O4，正极活性主体材料占总正极膜质量的65％～85％。
所述的正极活性材料为纳米LiMn2O4。
所述的电解液为含有锂离子和钠离子的硫酸盐、硝酸盐、氯盐类中的一种水溶液，其浓度是0.5mol/L～5mol/L。
所述的隔膜为采用乙烯基聚合物、再生纤维素、聚烯烃类化合物为主体制备的隔膜，或吸液性的纸基隔膜，或经过亲水处理的PP隔膜、玻璃纤维隔膜。
所述的正极膜和负极膜粘接在集流体上，所述的集流体材料是多孔金属镍、钛、铝、不锈钢、网状碳纸、碳布。
本发明的工作原理与现有的“摇椅式”锂离子电池不同。在充电过程中，锂离子从正极脫出到电解液中，钠离子嵌入到负极中，储存电子，放电过程中，从正极脱出的锂离子又嵌入到正极，负极中嵌入的钠离子返回到电解液中，释放出电子。
本发明与现有技术相比，具体以下的优点：
(1)所用电解液为安全无毒廉价的含钠、锂的盐水溶液。避免了传统有机电解液带来的易燃易爆，对环境污染严重问题。实现了绿色环保安全的目的。
(2)水溶液电解液具有更好的离子电导性，比有机电解的阻抗小，电势降低小，能在大倍率下充放电，实现快速充电，达到短时间快速充电的目的。
(3)本电池系统组装不需要在有机锂离子电池的无氧无水环境下进行，对设备要求不高，组装简单，生产成本低。
(4)本发明利用锂离子在正极含锂化合物中脫出/嵌入，钠离子在含钠化合物中嵌入/脱出。这种锂/钠储能系统就可以减少一半金属锂的消耗，因为钠在地壳中含量丰富且开采技术成熟，所以降低了原材料成本，是一种可持续发展的电池体系。
(5)本发明提供的水系交换离子电池与铅酸电池、镍氢镍镉电池比较，具有功率密度大、能量密度高、循环寿命长、绿色安全等优点，是一种新颖的二次电储能体系。其可以应用到大型电网调峰和新能源储存上，也可以用于便携式电源，和电动汽车等领域。
附图说明
图1为本发明电池体系的结构示意图。
图2为实施例1LiMn2O4-NaTi2(PO4)3电池系统的充放电曲线图。
图3为实施例2LiMn2O4-NaTi2(PO4)3/C电池系统的充放电曲线图。
图4为实施例3纳米LiMn2O4-NaTi2(PO4)3/C电池系统的充放电曲线图
图5为实施例3纳米LiMn2O4-NaTi2(PO4)3/C电池系统在不同倍率下的充放电曲线图。
图6为实施例3电池的循环寿命图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的说明。
本发明的NaTi2(PO4)3及LiMn2O4、纳米LiMn2O4均按现有技术生产。
本发明的正/负极的制备过程及LiMn2O4-NaTi2(PO4)3/C电池系统的组装步骤如下：
(1)LiMn2O4正极的制备
以Li2CO3和MnCO3为原料，采用高温固相合成的方法制备出纳米级的尖晶石型LiMn2O4。(参考文献HaishengTao,ShuqiongZhang,YingyingCheng,XuemeiZhang,Nanosci.Nanotechnol.Lett.7,555-559(2015))
(2)NaTi2(PO4)3和NaTi2(PO4)3/C负极的制备
以C4H4O5Na(酒石酸氢钠)，TiO2，(NH4)2HPO4为原料，采用溶胶-凝胶法得到前驱体，之后通过煅烧制备出NaTi2(PO4)3。
以C4H4O5Na(酒石酸氢钠)，TiO2，(NH4)2HPO4和(CH2OH)2为原料，采用溶胶-凝胶法得到前驱体，之后通过煅烧制备出NaTi2(PO4)3/C。(参考CN201410625085.2)
(3)LiMn2O4-NaTi2(PO4)3电池系统的组装
正极活性材料采用LiMn2O4，负极活性材料采用NaTi2(PO4)3，将活性材料、导电剂及粘结剂混合均匀，涂覆在集流体上，烘干后，分别压制成正极膜和负极膜。采用玻璃纤维作为隔膜，含有钠和锂离子的水溶液作为电解液，组装成全电池。
实施例1：
将活性材料、导电剂及粘结剂混合均匀，涂覆在集流体上，烘干后，分别压制成正极膜和负极膜。采用玻璃纤维作为隔膜，含有钠和锂离子的水溶液作为电解液，组装成全电池。
正极材料采用市售的LiMn2O4(青岛新正锂业有限公司)，浆料的配比按照LiMn2O4：导电炭黑：粘结剂(粘结剂为聚偏氟乙烯，简称PVDF)＝80:10:10的质量比充分混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成正极。
负极材料采用NaTi2(PO4)3，负极浆料组成为NaTi2(PO4)3：导电炭黑：粘结剂＝75:15:10的质量比混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成负极。
该实施例中，正极材料实际容量为80mAh/g，负极为84mAh/g,正极的涂布量为10mg/cm2，负极为8mg/cm2，用玻璃纤维作为隔膜，0.5mol/LNa2SO4和0.5mol/LLi2SO4的混合水溶液作为电解液。
将上述材料组装成全电池。放电曲线如图2所示，在0V-2.0V的电压范围内，该电池的平均放电电压约为1.2V。在放电电流密度为50mAh/g(1C倍率)下，通过150次的充放电循环，放比电容量仍维持在37mAh/g以上。能量密度达到58wh/kg。
实施例2
按照实施例1的方法制备正/负极材料，正极材料采用市购的LiMn2O4，浆料的配比按照LiMn2O4：导电炭黑：粘结剂＝80:10:10的质量比充分混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成正极。
负极材料采用NaTi2(PO4)3/C，负极浆料组成为NaTi2(PO4)3/C：导电炭黑：粘结剂＝80:10:10的质量比混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成负极。该实施例中，正极材料实际容量为85mAh/g，负极为95mAh/g,正极的涂布量为10mg/cm2，负极为7mg/cm2，用玻璃纤维作为隔膜，0.5mol/LNa2SO4和0.5mol/LLi2SO4的混合水溶液作为电解液。
将上述材料组装成全电池。放电曲线如图3所示，在0V-2.0V的电压范围内，该电池的平均放电电压约为1.4V。在放电电流密度为50mAh/g(1C倍率)下，通过150次的充放电循环，放比电容量仍维持在41mAh/g以上,能量密度达到63wh/kg。
实施例3：
按照实施例1的方法制备正/负极材料，正极材料采用纳米LiMn2O4，浆料的配比按照LiMn2O4：导电炭黑：粘结剂＝80:10:10的质量比充分混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成正极。
负极材料采用NaTi2(PO4)3/C，负极浆料组成为NaTi2(PO4)3/C：导电炭黑：粘结剂＝80:10:10的质量比混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，烘干后压制成负极。
该实施例中，正极材料实际容量为90mAh/g，负极为95mAh/g,正极的涂布量为10mg/cm2，负极为7mg/cm2，用玻璃纤维作为隔膜，0.5mol/LNa2SO4和0.5mol/LLi2SO4的混合水溶液作为电解液。将上述材料组装成全电池。放电曲线如图4所示，在0V～2.0V的电压范围内，该电池的平均放电电压约为1.7V。如图5、6所示，在放电电流密度为50mAh/g(1C倍率)下，通过500次的充放电循环，放比电容量仍维持在35mAh/g以上。能量密度达到71wh/kg。
实施例4：
正极膜采用纳米LiMn2O4，浆料的配比按照LiMn2O4：导电炭黑：粘结剂＝85:7.5:7.5的质量比充分混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，正极的涂布量为10mg/cm2，烘干后压制成正极。
负极材料采用NaTi2(PO4)3/C，负极浆料组成为NaTi2(PO4)3/C：导电炭黑：粘结剂＝80:10:10的质量比混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，负极涂布量为7mg/cm2，烘干后压制成负极。
用玻璃纤维作为隔膜，2mol/LNa2SO4和2mol/LLi2SO4的混合水溶液作为电解液。
本实施例中，正极材料实际容量为92mAh/g，负极为95mAh/g,
实施例5：
正极膜采用纳米LiMn2O4，浆料的配比按照LiMn2O4：导电炭黑：粘结剂＝8:10:10的质量比充分混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，正极的涂布量为10mg/cm2，烘干后压制成正极。
负极材料采用NaTi2(PO4)3/C，负极浆料组成为NaTi2(PO4)3/C：导电炭黑：粘结剂＝65:17.5:17.5的质量比混合，然后均匀涂覆在碳纸集流体上，负极涂布量为7mg/cm2，烘干后压制成负极。
用玻璃纤维作为隔膜，5mol/LNa2SO4和5mol/LLi2SO4的混合水溶液作为电解液。
本实施例中，正极材料实际容量为90mAh/g，负极为89mAh/g。

Claims (7)

1.一种水系离子交换电池，由正极膜、负极膜、隔膜、电解液组成，所述的负极膜包括负极活性材料、导电材料、粘接剂，其特征在于：
所述的负极活性材料为NaTi2(PO4)3，负极活性材料占总负极膜质量的65％～85％。
2.根据权利要求1所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：
所述的负极膜的负极活性材料为碳包覆的NaTi2(PO4)3，负极活性材料占总负极膜质量的65％～85％。
3.根据权利要求1所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：
所述的正极膜包括正极活性材料、导电材料、粘接剂，所述的正极活性材料为LiMn2O4，正极活性主体材料占总正极膜质量的65％～85％。
4.根据权利要求3所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：所述的正极活性材料为纳米LiMn2O4。
5.根据权利要求1所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：
所述的电解液为含有锂离子和钠离子的硫酸盐、硝酸盐、氯盐类中的一种水溶液，其浓度是0.5mol/L～5mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：
所述的隔膜为采用乙烯基聚合物、再生纤维素、聚烯烃类化合物为主体制备的隔膜，或吸液性的纸基隔膜，或经过亲水处理的PP隔膜、玻璃纤维隔膜。
7.根据权利要求1所述的一种水系离子交换电池，其特征在于：
所述的正极膜和负极膜粘接在集流体上，所述的集流体材料是多孔金属镍、钛、铝、不锈钢、网状碳纸、碳布。
CN201510750694.5A 2015-11-06 2015-11-06 一种水系离子交换电池 Pending CN105322241A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510750694.5A CN105322241A (zh) 2015-11-06 2015-11-06 一种水系离子交换电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510750694.5A CN105322241A (zh) 2015-11-06 2015-11-06 一种水系离子交换电池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105322241A true CN105322241A (zh) 2016-02-10

Family

ID=55249172

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510750694.5A Pending CN105322241A (zh) 2015-11-06 2015-11-06 一种水系离子交换电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105322241A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410154A (zh) * 2016-11-01 2017-02-15 上海电力学院 一种碳包覆硼酸铁材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用
CN107180966A (zh) * 2017-05-09 2017-09-19 南京航空航天大学 一种以锂盐与钠盐为电极材料的新型水系二次电池
CN107579228A (zh) * 2017-09-01 2018-01-12 华中科技大学 一种电极材料、电池及电极材料的制备方法
CN108075131A (zh) * 2016-11-14 2018-05-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种基于NayNixMn1-xO2结构富钠层状化合物正极的水系储能电池
CN108899552A (zh) * 2018-06-21 2018-11-27 湖南格兰博智能科技有限责任公司 一种正负极基带、正负极极片、高容量锂离子电池及其制备方法
CN112054251A (zh) * 2020-09-24 2020-12-08 贲安能源科技(上海)有限公司 一种内部反应环境可控的水系钠离子电池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101154745A (zh) * 2007-09-20 2008-04-02 复旦大学 一种水系可充锂或钠离子电池
CN104319424A (zh) * 2014-11-06 2015-01-28 中国科学技术大学 水体系钠离子电池及其制造和应用
CN104362393A (zh) * 2014-10-10 2015-02-18 恩力能源科技（南通）有限公司 一种可充放水系离子电池
CN104779394A (zh) * 2015-04-17 2015-07-15 复旦大学 一种水系锂(钠)离子电池混合负极材料

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101154745A (zh) * 2007-09-20 2008-04-02 复旦大学 一种水系可充锂或钠离子电池
CN104362393A (zh) * 2014-10-10 2015-02-18 恩力能源科技（南通）有限公司 一种可充放水系离子电池
CN104319424A (zh) * 2014-11-06 2015-01-28 中国科学技术大学 水体系钠离子电池及其制造和应用
CN104779394A (zh) * 2015-04-17 2015-07-15 复旦大学 一种水系锂(钠)离子电池混合负极材料

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410154A (zh) * 2016-11-01 2017-02-15 上海电力学院 一种碳包覆硼酸铁材料的制备方法及其在钠离子电池中的应用
CN108075131A (zh) * 2016-11-14 2018-05-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种基于NayNixMn1-xO2结构富钠层状化合物正极的水系储能电池
CN108075131B (zh) * 2016-11-14 2021-05-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种基于NayNixMn1-xO2结构富钠层状化合物正极的水系储能电池
CN107180966A (zh) * 2017-05-09 2017-09-19 南京航空航天大学 一种以锂盐与钠盐为电极材料的新型水系二次电池
CN107579228A (zh) * 2017-09-01 2018-01-12 华中科技大学 一种电极材料、电池及电极材料的制备方法
CN107579228B (zh) * 2017-09-01 2020-05-19 华中科技大学 一种电极材料、电池及电极材料的制备方法
CN108899552A (zh) * 2018-06-21 2018-11-27 湖南格兰博智能科技有限责任公司 一种正负极基带、正负极极片、高容量锂离子电池及其制备方法
CN112054251A (zh) * 2020-09-24 2020-12-08 贲安能源科技(上海)有限公司 一种内部反应环境可控的水系钠离子电池
CN112054251B (zh) * 2020-09-24 2022-08-12 贲安能源科技(上海)有限公司 一种内部反应环境可控的水系钠离子电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105958131B (zh) 一种长循环寿命和高能量密度的可充水系锌离子电池
CN107221716B (zh) 一种可充电水系锌离子电池
CN104272523B (zh) 一种锌离子可充电电池及其制造方法
CN103401030B (zh) 一种水系可充镁或锌离子电容电池
CN105322241A (zh) 一种水系离子交换电池
CN109103399B (zh) 一种锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法和在锂硫电池中的应用
CN109119610A (zh) 一种碱性水溶液钠离子电池
CN104779394A (zh) 一种水系锂(钠)离子电池混合负极材料
CN104795567B (zh) 基于碘离子溶液正极和有机物负极的水系锂离子/钠离子电池
CN1674347A (zh) 混合型水系锂离子电池
CN104347880A (zh) 可快充的锂离子电池
CN103022577A (zh) 一种水系可充钠离子电池
CN107565134A (zh) 基于芘‑4,5,9,10‑四酮正极和锌负极的水系锌离子电池
CN101087018A (zh) 一种水溶液可充钠离子电池
CN101221853A (zh) 一种半固态或全固态水系超级电容器
CN104362393A (zh) 一种可充放水系离子电池
CN107180966A (zh) 一种以锂盐与钠盐为电极材料的新型水系二次电池
CN105551816A (zh) 一种混合超级电容器正极片及其制备方法、混合超级电容器
CN108922788A (zh) 一种PEDOT@Na3(VOPO4)2F复合材料、其制备方法及其应用
CN101262056A (zh) 一种水溶液可充锂离子电池
CN103094627A (zh) 电池
CN103050732B (zh) 一种钛酸锂基化学电源
CN106935830A (zh) 一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法和应用
CN106384674A (zh) 一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池
CN105428704B (zh) 一种改性氧化还原型固态电解质及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160210

RJ01 Rejection of invention patent application after publication