CN106299492A - 一种叠片结构的水系锂离子电池 - Google Patents

一种叠片结构的水系锂离子电池 Download PDF

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王静
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Abstract

本发明公开了一种叠片结构的水系锂离子电池，它是一种叠片结构电池，所述电池包括正极(310)、负极(320)和隔膜(330)；所述电池正极包括集流体(311)，正极活性物质(312)、粘接剂(313)和导电剂(314)；所述负极包括集流体(323)和集流体表面的负极活性物质(321)；所述正极和负极之间有一隔膜(330)，所述的电池电解液为锂盐的水溶液，所述的正极活性物质(312)是离子脱嵌化合物；所述的负极活性物质(321)为锌的螯合聚合物。本发明的主要优点在于：1、本发明提供的电池具备优秀的电性能，首次充放电电流效率为93％，电池循环充放电性能优良，且兼具环保，廉价的优点。2、本发明提供的电池结构简单，容易制造和可靠性高。

Description

一种叠片结构的水系锂离子电池
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种水系锂离子电池电池结构。
背景技术
自电池发明以来，诞生了很多种原理不同的电池。不同原理的电池，其设计结构截然不同。例如一次锌锰电池的结构只适合小电流放电，而一次碱锰电池为了大功率放电其结构必然有所不同。1859年法国人发明铅酸电池以来，人类发明了数十种不同原理的可充电电池，也诞生了很多种不同的电池结构设计。例如铅酸电池，可以设计成正负极片交互叠加的形式，也能做成管型，卷绕式等等。
当今能源日渐匮乏的年代，无论是电动交通工具还是太阳能，风能等新能源并网储能都需要大量廉价可靠且电性能良好的储能装置。
发明内容
本发明旨在提供一种新电池。
本发明的技术方案如下：
一种叠片结构的水系锂离子电池，它是一种叠片结构电池，所述电池包括正极310，负极320，和隔膜330；所述电池正极包括集流体311，正极活性物质312，粘接剂313，和导电剂314；所述负极包括集流体323和集流体表面的负极活性物质321；所述正极和负极之间有一隔膜330；所述的电池电解液为锂盐的水溶液，所述的正极活性物质312是离子脱嵌化合物；所述的负极活性物质为锌的螯合聚合物。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述电池顶部有盖板360，所述正极集流体与不锈钢部件315连接，该不锈钢部件315穿过电池盖板与正极外电路316连接，所述负极集流体焊接或者铆接于导体325上，该导体325导体穿过电池盖板与负极外电路326连接。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，正负极都为平板状并且由隔膜分开，正、负极、隔膜和电解液装入由塑料或金属制成的电池盒380中，电池盒顶部有盖板360，让电池与外部隔绝，盖板与电池盒通过胶水，热熔焊接等方式连接，确保密封。结构如附图5所示。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述电池盖板360上有泄气阀/限压阀370。所述泄气阀/限压阀用来限制电池内部压力。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的正极集流体采用不锈钢网或箔，或者石墨箔或碳纤维网中的至少一种，厚度为0.01mm-5mm之间，面积根据电池容量设计需要而定。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的负极集流体选择自铝、不锈钢或黄铜制成的网或者箔，厚度介于0.001-1mm之间，网孔直径在0.2-3mm之间。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的正极活性物质为锂离子脱嵌化合物LiMn2O4.
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的正极活性物质与粘接剂，导电剂混合均匀并涂覆、粘接或压制在正极集流体上，厚度在0.05-10mm之间；以正极活性物质、粘接剂、和导电剂的总质量计，其中导电剂的质量百分比为0.1-50％，粘接剂的质量百分比为0-20％。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的负极活性物质为带有聚合物骨架-螯合基团的锌的化合物，其中该骨架为聚丙烯酰胺；螯合基团为氨基膦酸基团。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的隔膜330为电池工业通常使用的玻璃纤维或无纺布或者PP或PE材质隔板，厚度介于0.01-5mm之间。
上述的叠片结构的水系锂离子电池，所述的电池电解液为硫酸锂，氯化锂或甲基磺酸锂的水溶液，浓度介于0.1-5mol/L之间。
根据电池容量设计要求，可以采用多个正负极交替排列，以增大电池容量。
发明人提出了一种全新的电池系统，该电池正极采用离子脱嵌化合物作为活性物质，正极的电化学可逆是依靠该活性物质中某种离子的脱出(充电)和嵌入(放电)；该电池负极的可逆性是依靠锌的螯合物可逆电化学氧化还原实现。电解液中的锂离子提供电导率，以及在正负极的活性物质电化学反应过程中提供电荷配平作用。该电池原理上电性能优良，且材料廉价，环保，非常具有学术以及应用价值。为使该电池能够获得广泛运用，发明人提供一种全新的电池结构，包括正极、负极、电解液和隔膜。
正极结构主要包括正极集流体，正极活性物质和粘接剂，导电剂等。正极集流体为石墨，不锈钢制成的箔或者网。正极中所包含的活性物质需要跟导电剂、粘接剂以一定比例混合均匀并涂覆在正极集流体上。为获得一定的能量密度，集流体不能过厚，优选范围为0.01mm-5mm之间。为使电解液浸润不困难，正极活性物质中的脱嵌离子移动畅通，正极活性物质涂覆厚度不能过大，优选范围为0.05mm-10mm。正极结构如附图1所示
负极结构主要有集流体和活性物质。集流体负极结构如图4所示。
电池的正负极，隔膜电解液等装入一个特制的容器内，如说明书附图所示。其中电池正负极需要用导体与外界连接，以提供电子传导通道。对于正极，集流体穿过电池盖板，并与盖板密封。负极采用同样的方式穿过盖板与外电路连接。如图2所示，电池负极集流体与外电路导线可以采用焊接等方式在电池内部或外部连接；
本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
本发明的主要优点在于：
1、本发明提供的电池具备优秀的电性能且兼具环保，廉价的优点。
2、本发明提供的电池结构简单，容易制造和可靠性高。
3、本发明提供的电池能够获得广泛应用。
据此，本发明提供了一种廉价可靠且电性能良好的储能装置。
附图说明
图1是本发明电池正极微观结构示意图；其中：311表示正极集流体；312表示正极活性物质；313表示粘接剂；314表示导电剂；其中活性物质，导电剂与粘接剂混合均匀与正极集流体相连。
图2是电池盖板结构示意图，其中：311表示正极集流体；315为与311焊接或铆接的不锈钢导体；316表示正极外电路导线；321表示负极集流体；325为连接321的导体；326表示负极外电路导线；360表示盖板，370表示防爆阀。
图3是实施例1中正极示意图，其中：311表示正极集流体，312表示正极活性物质层；其中如果311为石墨箔，则可以将一块不锈钢网或者箔317粘接或铆接于石墨箔上，以方便与不锈钢导体315焊接
图4是实施例1中电池负极示意图；其中：323表示负极集流体，324表示负极表面涂/镀层，321为负极活性物质。
图5为实施例1所述电池的结构示意图；其中：311表示正极集流体，312表示正极活性物质层，323表示负极集流体，321表示负极活性物质，330表示隔膜，360表示盖板，380表示电池壳体。
图6为实施例1电池首次充放电曲线图。
图7为实施例1电池充放电循环性能图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分数、比率、比例、或份数按质量计。
本发明中的质量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的，例如是指在100毫升的溶液中溶质的质量。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
将正极活性物质LiMn2O4与导电炭黑，粘接剂SBR(丁苯橡胶乳)以85:10:5的比例均匀混合，加入一定量水调和成浆状，均匀涂覆在0.1mm厚不锈钢网304上，活性物质层区域的尺寸为100mmX100mm，一片正极集流体上涂覆活性物质约20g。105℃烘干10小时备用，电池正极活性物质总量20g，理论容量2000mah。正极片形状如附图3所示。在集流体极耳处铆接一块10mmX30mm的不锈钢网以做焊接用。
电池负极集流体基体采用铜箔或铝箔，厚度为0.051mm。形状为方形，形状如图5所示，其大小比正极稍大或与正极相同，铝箔表面附着一层锌箔，厚度0.1mm。
负极活性物质制作方法如下：
在装有搅拌、回流冷凝管和温度计的500mL三口烧瓶中，分别加入40g丙烯酰胺(AM)和5克N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)于水相中，搅拌至全溶后，通N2约20min，排除空气。然后加热升温至50℃，同时分别滴加含有0.15gK2S2O8和0.15gKHSO3的水溶液，在N2保护下维持此温度反应，当有凝胶生成时停止反应。生成的凝胶依次用水和甲醇进行洗涤，在70℃真空干燥箱中进行干燥，烘干后经研磨、过筛，得到白色粉末状的交联聚丙烯酰胺(简称CPAM)。通过改变MBA的加入量可以制得不同交联度的CPAM
称取142g交联聚丙烯酰胺(CPAM)，在室温下用蒸馏水溶胀12h后，用NaOH溶液将溶液的pH值调至11，然后加入60g多聚甲醛干粉，使聚丙烯酰胺的氨基与甲醛单体的摩尔比为1∶1，混合搅拌均匀，在25℃下发生羟甲基化反应，并维持此温度反应3h。然后，在反应体系中加入120克的亚磷酸，升高温度到90℃，回流搅拌反应8h，反应结束后将产物水洗至中性，用1mol/L的NaOH溶液洗涤数次，随后水洗至中性，再用1mol/L的盐酸洗涤数次使树脂转至氢型，水洗至中性，最后再用甲醇洗3～4次，真空干燥至恒重，得到深黄色的聚丙烯-胺基膦酸钠材料。
取20克聚丙烯-胺基膦酸钠材料，分散于100克蒸馏水中，加入50克硫酸锌，60℃下搅拌12小时，蒸馏水洗涤，烘干，得到锌基负极材料。
使用行星球磨机，在400转下研磨负极材料4小时。按照负极材料:导电石墨(特密高公司Super-P型导电石墨):锌粉:PTFE为60:7:25:8的比例分散，压制成100mmX100mm方块、质量为15g的极片。
电池集流体采用20微米厚铝箔，与50微米锌箔叠在一起，呈夹心形状(锌箔-铝箔-锌箔)。
电池隔膜采用玻璃纤维隔膜，厚度为1mm。
电池采用2片负极，1片正极交错排列(铝箔-锌箔-负极-隔膜-正极-隔膜-负极-锌箔-铝箔)，正负极之间的隔膜为玻璃纤维隔膜。将电池电极等装入塑料电池壳，注入30毫升电解液。正负极集流体穿过电池盖板，结合处用硅胶密封。
电池电解液为1mol/L的硫酸锂溶液，pH值为4-6之间。充电时，正极活性物质中的锂离子脱嵌进入电解液，与此同时负极螯合态的锌被还原成金属态。
电池充电过程中会产生少量气体(水分解产生的氢气和氧气)，电极上产生的一部分气体通过扩散作用到达对电极上被消耗掉，同时电池盖板上设置防爆阀，以防止电池壳内压力过多增加，从而导致爆炸。由于气体的产生，致使电池充放电电流效率小于100％。电池首次充放电电压-容量曲线图如图6所示。首次充放电电流效率为93％，电池循环充放电性能见图7。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。

Claims (8)

1.一种叠片结构的水系锂离子电池，它是一种叠片结构电池，所述电池包括正极(310)、负极(320)和隔膜(330)；所述电池正极包括集流体(311)，正极活性物质(312)、粘接剂(313)和导电剂(314)；所述负极包括集流体(323)和集流体表面的负极活性物质(321)；所述正极和负极之间有一隔膜(330)，其特征是：所述的电池电解液为锂盐的水溶液，所述的正极活性物质(312)是离子脱嵌化合物；所述的负极活性物质(321)为锌的螯合聚合物。
2.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述电池正负极都为平板状并且由隔膜分开，正、负极、隔膜和电解液装入由塑料或金属制成的电池盒(380)中，电池盒顶部有盖板(360)，使电池与外部隔绝，盖板(360)与电池盒(380)通过胶水或热熔焊接方式连接，确保密封，顶部有盖板(360)，所述正极集流体与不锈钢部件(315)连接，该不锈钢部件(315)穿过电池盖板与正极外电路(316)连接，所述负极集流体焊接或者铆接于导体(325)上，该导体(325)导体穿过电池盖板与负极外电路(326)连接。
3.根据权利要求2所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述电池盖板(360)上有泄气阀/限压阀(370)。
4.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述的正极活性物质为锂离子脱嵌化合物LiMn2O4；所述的正极活性物质与粘接剂，导电剂混合均匀并涂覆、粘接或压制在正极集流体上，厚度在0.05-10mm之间；以正极活性物质、粘接剂、和导电剂的总质量计，其中导电剂的质量百分比为0.1-50％，粘接剂的质量百分比为0-20％。
5.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述的负极活性物质为带有聚合物骨架-螯合基团的锌的化合物，其中该骨架为聚丙烯酰胺；螯合基团为氨基膦酸基团。
6.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述的负极集流体为铝、不锈钢或黄铜制成的网或者箔，厚度介于0.001-1mm之间，网孔直径在0.2-3mm之间。
7.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述的电池电解液为硫酸锂，氯化锂或甲基磺酸锂的水溶液，浓度为0.1-5mol/L。
8.根据权利要求1所述的叠片结构的水系锂离子电池，其特征是：所述的隔膜(330)为电池工业通常使用的玻璃纤维或无纺布或者PP或PE材质隔板，厚度介于0.01-5mm之间。
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