CN112751014A - 一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于(NH4)0.6V2O5层状钒氧化合物负极的水系储能电池，主要由正极片、负极片、隔膜及具有离子导电性的水系电解液组成，所述负极片包括质量百分比为65~80wt%的负极活性物质(NH4)0.6V2O5；本发明采用可脱嵌锂（钠）离子、低成本的(NH4)0.6V2O5层状化合物首次作为负极活性材料应用于水系电池中，采用循环稳定性好的锰酸锂化合物作为水系电池的正极，构建了一种新型的水系储能电池体系；该体系具有较高的比容量和良好的循环稳定性，具有安全、低成本的特点，可以为大规模储能提供一种价格低廉、安全的电化学储能体系。
Description
技术领域
本发明涉及一种水系储能电池，属于二次电池储能领域。
背景技术
锂离子二次电池具有能量密度高、循环寿命长和自放电小等优点，现已广泛应用于各类便携式电子产品、移动设备以及电动汽车和混合动力汽车上。但由于所选用有机系电解液具有可燃性，在错误使用（如短路、过充）情况下，电极材料会与有机系电解液发生高活性的反应而引起安全性问题，并且这种电池成本偏高，因此，在一定程度上限制了锂离子电池在大型规模储能的应用，尤其是在电网储能中。
在大多数固定式储能的场合，能量密度并非首要考虑的因素，成本与安全性通常是更为关心的指标基于这一考虑，人们将锂离子电池的研究拓展到水溶液电解质体系。水系电解液的离子电导率比有机系高几个数量级，电池的比功率得到较大提高；同时，还可以避免使用有机系电解液所必需的严格组装条件，成本也将大幅度降低。因此，水系锂（钠）离子电池由于具有安全性能高、价格低廉、无环境污染、功率较高等优势，作为未来电网储能的重要选择而成为近年来电化学储能技术前沿的研究热点。
由于受到水的热力学电化学窗口限制以及容量、电化学电位、适应性及催化效应等，电极材料选择面临挑战，进而影响水系锂离子电池的应用。因此，电极材料成为水系锂（钠）离子电池亟待解决的科学问题。在Rsc Advances期刊上，公开了Synthesis of novelammonium vanadium bronze (NH4)0.6V2O5 and its application in Li-ion battery（新型铵钒青铜(NH4)0.6V2O5的合成及其在锂离子电池中的应用），研究了 (NH4)0.6V2O5在有机系电解液（1 mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯（EC）/碳酸甲乙酯（EMC）/碳酸二甲酯（DMC）（1:1:1，vol%）的溶液）中的电化学性能；以锂片为负极，该钒青铜作为锂电池正极材料有三个还原峰（1.59 V、2.16 V、2.47 V）和两个氧化峰（1.76 V、2.92 V）；电流密度为10 mA/g， 放电比容量可达280.2 mAh/g，但其循环性能和倍率性能较差，30个循环后比容量为152.8 mAh/g，电流密度升为200 mA/g时，比容量仅为48.9 mAh/g。一般情况下，水系锂离子电池负极材料的锂离子脱嵌电位相对于Li+/Li在2-3V之间比较合适，而(NH4)0.6V2O5的锂离子脱嵌电位恰好在这个范围；同时，相同材料在不同体系中表现的电化学性能截然不同。在水系锂/钠离子的负极材料中，大部分循环性能较差，在水体系中的利用率过低；同时，负极材料的数量和种类有限，因此，需要发现更多的可用负极材料以及构建新的水系储能电池体系。同时，目前没有关于将(NH4)0.6V2O5作为水系离子电池负极材料的相关研究报道，(NH4)0.6V2O5作为水系离子电池负极材料的研究具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种新型水系离子电池负极材料，构建一种新的水系储能电池。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种基于(NH4)0.6V2O5层状钒氧化合物负极的水系储能电池，主要由正极片、负极片、隔膜及水系电解液组成，其特征在于，所述负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质的通式为(NH4)0.6V2O5，所述负极活性物质与负极片的质量百分比为65~80%。
进一步地，所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质为LiMn2O4，所述正极活性物质与正极片质量百分比为70~85%；所述正极活性物质与负极活性物质的质量比为1~2:1。
进一步地，所述负极片还包括导电剂和粘结剂；
所述导电剂与负极片的质量百分比为10~30%；
所述导电剂为碳黑、乙炔黑、Super P、石墨烯、石墨、碳纤维和中间相炭微球中的一种或多种；
所述粘结剂与负极片的质量百分比为5~20%；
所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和羟丙甲纤维素中的一种或多种。
进一步地，所述负极片的制备方法包括以下步骤：将负极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，烘干、压制成负极片。
进一步地，所述正极片还包括导电剂和粘结剂；
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所述导电剂为碳黑、乙炔黑、Super P、石墨烯、石墨、碳纤维和中间相炭微球中的一种或多种；
所述粘结剂与正极片的质量百分比为5~20%；
所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和羟丙甲纤维素中的一种或多种。
进一步地，所述正极片的制备方法包括以下步骤：将正极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，烘干、压制成正极片。
进一步地，所述隔膜为玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜和无纺布中的一种或多种。
进一步地，所述水系电解液包括电解质和水，所述电解质为锂盐、钠盐中的一种或多种。
进一步地，所述锂盐包括硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、磷酸锂、草酸锂、醋酸锂、高氯酸锂中的一种或多种，所述钠盐包括硫酸钠、硝酸钠、氯化钠、磷酸钠、草酸钠、醋酸钠、高氯酸钠中的一种或多种。
进一步地，所述水系电解液中的阳离子包括钠离子、锂离子中的一种或两种，所述水系电解液中的阳离子摩尔浓度为0.5~8 mol/L，所述水系电解液的pH值为5~12。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明采用可脱嵌锂（钠）离子、低成本的(NH4)0.6V2O5层状化合物首次作为负极活性材料应用于水系电池中，构建了一种新型的水系储能电池体系，替代了水系电池常用的负极磷酸钛锂，钒氧化合物电极对设备要求低，工艺简单易行，操作周期短，易于扩大生产。与(NH4)0.6V2O5在有机电解液电化学性能不同，该水系体系具有较高的比容量和良好的循环稳定性，具有安全、低成本的特点，可以为大规模储能提供一种价格低廉、安全的电化学储能体系。
（2）本发明采用具有可逆脱嵌锂（钠）离子的能力，循环稳定性好的锰酸锂化合物作为水系电池的正极；LiMn2O4和(NH4)0.6V2O5分别为水系电池的正极和负极，充电时正极的锂离子脱出，嵌入到负极，放电时则相反，具有良好的循环稳定性。
（3）本发明提供的水系储能电池所用的电解液为安全无毒的锂（钠）盐水溶液；利用锂（钠）离子在水系电解液中能可逆的在层状化合物(NH4)0.6V2O5中进行脱嵌，同时以锰酸锂为活性物质的正极在水溶液中具有稳定的储能机理，组装成的水系储能电池表现出较好地循环稳定性和倍率性能，在大规模储能方面有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的(NH4)0.6V2O5负极材料的XRD图；
图2为本发明实施例1的(NH4)0.6V2O5负极材料的充放电曲线；
图3为本发明实施例1的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的倍率性能图；
图4为本发明实施例1的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的循环性能图；
图5为本发明实施例2的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的循环性能图；
图6为本发明实施例2的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池不同倍率的充放电曲线；
图7为本发明实施例3的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的循环性能图；
图8为本发明实施例3的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池不同倍率的充放电曲线；
图9为本发明实施例4的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的循环性能图；
图10为本发明实施例4的LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池不同倍率的充放电曲线。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，但应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明以层状钒氧化合物(NH4)0.6V2O5作为负极活性物质制备的负极片，以LiMn2O4作为正极活性物质制备的正极片，以玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜和无纺布中的一种或多种作为隔膜，以含Li+或/和Na+的无机盐水溶液作为电解液制备得到基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池。
本发明负极活性物质(NH4)0.6V2O5的制备：以偏钒酸铵和甲酸为原料，在220～300℃下水热反应6～100小时，即得到粉末平均粒径为1~20 um的(NH4)0.6V2O5负极活性物质，其中偏钒酸铵与甲酸的摩尔比为3.3:1～1:2.6。
负极片的制备：将负极活性物质、导电剂和粘结剂按一定的质量百分比混合后，烘干压制成负极片；其中负极活性物质与负极片的质量百分比为65~80%，导电剂与负极片的质量百分比为10~30%，粘结剂与负极片的质量百分比为5~20%。
正极片的制备：正极片采用可嵌入和脱出锂（钠）离子的锰酸锂LiMn2O4作为正极活性物质，将正极活性物质、导电剂和粘结剂按一定质量百分比混合后，烘干压制成正极片，其中正极活性物质与正极片的质量百分比为70~85%，导电剂与正极片的质量百分比为10~30%，粘结剂与正极片的质量百分比为5~20%。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池组装：采用玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜和无纺布中的一种或多种作为隔膜，含有锂或/和钠离子的水溶液为电解液，与正极片和负极片组装成全电池。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
(NH4)0.6V2O5的制备：以偏钒酸铵和甲酸为原料，在250℃下水热反应12小时，即得到粉末平均粒径为12 um的(NH4)0.6V2O5负极活性物质，其中偏钒酸铵与甲酸的摩尔比为2:1。将制备的(NH4)0.6V2O5负极活性物质进行XRD检测，如图1所示，与文献（RSC Adv., 2015,5, 90888）合成的(NH4)0.6V2O5的XRD峰位相同，说明合成的相为纯的(NH4)0.6V2O5。
负极片的制备：将(NH4)0.6V2O5、Super P和PTFE按70:20:10的质量比混合均匀，烘干、压制成负极片。
正极片的制备：将LiMn2O4、Super P和PTFE按70:20:10的质量比混合均匀，烘干、压制成正极片。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池组装：采用无纺布为隔膜，2 mol/L的硫酸锂水溶液为水系电解液，与正极片和负极片组装成全电池。
负极活性物质的性能：以负极片为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，金属铂片为对电极，以2 mol/L的硫酸锂水溶液为电解液，测试其电化学性能。(NH4)0.6V2O5的恒流充放电曲线，如图2所示，在1C的电流密度下，-0.8~0.4 V范围内充放电，该材料的充电比容量为37 mAh/g。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的性能：该体系全电池在不同倍率下的充放电曲线如图3所示，在0.01~1.7V电压的范围内，以负极活性物质的质量计算，该电池在0.2C、0.5C、1C、2C和4C（C=100 mA/g）的电流密度下放电比容量分别为61、40、29、24和19 mAh/g，具有优异的倍率性能；该电池在1C电流密度下的循环稳定性如图4所示，循环150次后比容量为31 mAh/g，容量保持率为88.1%，未见明显衰减，说明该电池体系具有优异的循环性能。
实施例2
其余与实施例1相同，不同的是将实施例1中的电解液换成1 mol/L的硫酸钠水溶液。
如图5所示，以负极活性物质的质量计算，该电池在1C电流密度下的放电比容量为51 mAh/g，循环100次后比容量为46 mAh/g，容量保持率为90%，结果显示该全电池在1mol/L的硫酸钠水溶液中具有较好的循环性能。
体系全电池在不同倍率下的充放电曲线如图6所示，在0.01~1.7V电压的范围内，以负极活性物质的质量计算，该体系全电池在0.2C、0.5C、1C、4C（C=100 mA/g）的电流密度下放电比容量分别为118、67、52和22 mAh/g，具有优异的倍率性能。
实施例3
负极活性物质 (NH4)0.6V2O5的制备同实施例1。
负极片的制备：将(NH4)0.6V2O5、Super P和PTFE按80:10:10的质量比混合均匀，烘干、压制成负极片。
正极片的制备：将LiMn2O4、Super P和PTFE按80:10:10的质量比混合均匀，烘干、压制成正极片。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池组装：采用无纺布为隔膜，2 mol/L的1:1的硫酸锂/硫酸钠水溶液为水系电解液，与正极片和负极片组装成全电池。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池的性能：如图7所示，以负极活性物质的质量计算，该体系全电池在0.01~1.7V的电压范围内，0.5C电流密度下的放电比容量为25 mAh/g，循环200次后容量为33 mAh/g，说明该电池体系循环性能较好。
LiMn2O4-(NH4)0.6V2O5体系全电池在不同倍率下的充放电曲线如图8所示，该电池在0.2C、0.5C、1C和4C（C=100 mA/g）的电流密度下放电比容量分别为69、50、32和15 mAh/g，具有优异的倍率性能。
实施例4
其余与实施例3相同，不同的是将实施例3中的电解液换成2 mol/L的1.5:0.5的硫酸锂/硫酸钠水溶液。
如图9所示，以负极活性物质的质量计算，该电池在0.5C电流密度下的放电比容量为34 mAh/g，循环150次后为36 mAh/g，说明该电池体系循环性能较好。不同倍率下的充放电曲线如图10所示，该电池在0.2C、0.5C、1C和4C（C=100 mA/g）的电流密度下放电比容量分别为57、28、23和14 mAh/g，具有优异的倍率性能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，主要由正极片、负极片、隔膜及水系电解液组成，其特征在于，所述负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质的通式为(NH4)0.6V2O5，所述负极活性物质与负极片的质量百分比为65~80%。
2.根据权利要求1所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质为LiMn2O4，所述正极活性物质与正极片质量百分比为70~85%；所述正极活性物质与负极活性物质的质量比为1~2:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述负极片还包括导电剂和粘结剂；
所述导电剂与负极片的质量百分比为10~30%；
所述导电剂为碳黑、乙炔黑、Super P、石墨烯、石墨、碳纤维和中间相炭微球中的一种或多种；
所述粘结剂与负极片的质量百分比为5~20%；
所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和羟丙甲纤维素中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述负极片的制备方法包括以下步骤：将负极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，烘干、压制成负极片。
5.根据权利要求2所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述正极片还包括导电剂和粘结剂；
所述导电剂与正极片的质量百分比为10~30%；
所述导电剂为碳黑、乙炔黑、Super P、石墨烯、石墨、碳纤维和中间相炭微球中的一种或多种；
所述粘结剂与正极片的质量百分比为5~20%；
所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和羟丙甲纤维素中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述正极片的制备方法包括以下步骤：将正极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，烘干、压制成正极片。
7.根据权利要求1所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述隔膜为玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜和无纺布中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述水系电解液包括电解质和水，所述电解质为锂盐、钠盐中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述锂盐包括硫酸锂、硝酸锂、氯化锂、磷酸锂、草酸锂、醋酸锂、高氯酸锂中的一种或多种，所述钠盐包括硫酸钠、硝酸钠、氯化钠、磷酸钠、草酸钠、醋酸钠、高氯酸钠中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的一种基于层状钒氧化合物负极的水系储能电池，其特征在于，所述水系电解液中的阳离子包括钠离子、锂离子中的一种或两种，所述水系电解液中的阳离子摩尔浓度为0.5~8 mol/L，所述水系电解液的pH值为5~12。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114142107A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-04 | 江苏警官学院 | 一种基于单斜相二氧化钒负极的水系锂离子电池 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103531766A (zh) * | 2013-10-29 | 2014-01-22 | 福州大学 | 一种钠离子电池正极材料类石墨硝酸盐结构的铵钒氧化物 |
| CN107804872A (zh) * | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种多孔层状结构的金红石相二氧化钒及其制备方法 |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103531766A (zh) * | 2013-10-29 | 2014-01-22 | 福州大学 | 一种钠离子电池正极材料类石墨硝酸盐结构的铵钒氧化物 |
| CN107804872A (zh) * | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种多孔层状结构的金红石相二氧化钒及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| DUAN BIN等: "Engineering a High-Energy-Density and Long Lifespan Aqueous Zinc Battery via Ammonium Vanadium Bronze" * |
| HANNA HE等: ""Ultrathin (NH4)0.5V2O5 Nanosheets as a Stable Anode for Aqueous Lithium Ion Batter" * |
| 马艺宁: "层状结构钒氧基化合物的制备及电化学性能研究" * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114142107A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-04 | 江苏警官学院 | 一种基于单斜相二氧化钒负极的水系锂离子电池 |
| CN114142107B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-05-09 | 江苏警官学院 | 一种基于单斜相二氧化钒负极的水系锂离子电池 |
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