本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體涉及一種水系鋰離子電池電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

自電池發(fā)明以來，誕生了很多種原理不同的電池。不同原理的電池，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)截然不同。例如一次鋅錳電池的結(jié)構(gòu)只適合小電流放電，而一次堿錳電池為了大功率放電其結(jié)構(gòu)必然有所不同。1859年法國(guó)人發(fā)明鉛酸電池以來，人類發(fā)明了數(shù)十種不同原理的可充電電池，也誕生了很多種不同的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如鉛酸電池，可以設(shè)計(jì)成正負(fù)極片交互疊加的形式，也能做成管型，卷繞式等等。

當(dāng)今能源日漸匱乏的年代，無論是電動(dòng)交通工具還是太陽能，風(fēng)能等新能源并網(wǎng)儲(chǔ)能都需要大量廉價(jià)可靠且電性能良好的儲(chǔ)能裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種新電池。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，它是一種疊片結(jié)構(gòu)電池，所述電池包括正極310，負(fù)極320，和隔膜330；所述電池正極包括集流體311，正極活性物質(zhì)312，粘接劑313，和導(dǎo)電劑314；所述負(fù)極包括集流體323和集流體表面的負(fù)極活性物質(zhì)321；所述正極和負(fù)極之間有一隔膜330；所述的電池電解液為鋰鹽的水溶液，所述的正極活性物質(zhì)312是離子脫嵌化合物；所述的負(fù)極活性物質(zhì)為鋅的螯合聚合物。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述電池頂部有蓋板360，所述正極集流體與不銹鋼部件315連接，該不銹鋼部件315穿過電池蓋板與正極外電路316連接，所述負(fù)極集流體焊接或者鉚接于導(dǎo)體325上，該導(dǎo)體325導(dǎo)體穿過電池蓋板與負(fù)極外電路326連接。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，正負(fù)極都為平板狀并且由隔膜分開，正、負(fù)極、隔膜和電解液裝入由塑料或金屬制成的電池盒380中，電池盒頂部有蓋板360，讓電池與外部隔絕，蓋板與電池盒通過膠水，熱熔焊接等方式連接， 確保密封。結(jié)構(gòu)如附圖5所示。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述電池蓋板360上有泄氣閥/限壓閥370。所述泄氣閥/限壓閥用來限制電池內(nèi)部壓力。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的正極集流體采用不銹鋼網(wǎng)或箔，或者石墨箔或碳纖維網(wǎng)中的至少一種，厚度為0.01mm-5mm之間，面積根據(jù)電池容量設(shè)計(jì)需要而定。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的負(fù)極集流體選擇自鋁、不銹鋼或黃銅制成的網(wǎng)或者箔，厚度介于0.001-1mm之間，網(wǎng)孔直徑在0.2-3mm之間。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的正極活性物質(zhì)為鋰離子脫嵌化合物L(fēng)iMn₂O₄.

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的正極活性物質(zhì)與粘接劑，導(dǎo)電劑混合均勻并涂覆、粘接或壓制在正極集流體上，厚度在0.05-10mm之間；以正極活性物質(zhì)、粘接劑、和導(dǎo)電劑的總質(zhì)量計(jì)，其中導(dǎo)電劑的質(zhì)量百分比為0.1-50％，粘接劑的質(zhì)量百分比為0-20％。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的負(fù)極活性物質(zhì)為帶有聚合物骨架-螯合基團(tuán)的鋅的化合物，其中該骨架為聚丙烯酰胺；螯合基團(tuán)為氨基膦酸基團(tuán)。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的隔膜330為電池工業(yè)通常使用的玻璃纖維或無紡布或者PP或PE材質(zhì)隔板，厚度介于0.01-5mm之間。

上述的疊片結(jié)構(gòu)的水系鋰離子電池，所述的電池電解液為硫酸鋰，氯化鋰或甲基磺酸鋰的水溶液，濃度介于0.1-5mol/L之間。

根據(jù)電池容量設(shè)計(jì)要求，可以采用多個(gè)正負(fù)極交替排列，以增大電池容量。

發(fā)明人提出了一種全新的電池系統(tǒng)，該電池正極采用離子脫嵌化合物作為活性物質(zhì)，正極的電化學(xué)可逆是依靠該活性物質(zhì)中某種離子的脫出(充電)和嵌入(放電)；該電池負(fù)極的可逆性是依靠鋅的螯合物可逆電化學(xué)氧化還原實(shí)現(xiàn)。電解液中的鋰離子提供電導(dǎo)率，以及在正負(fù)極的活性物質(zhì)電化學(xué)反應(yīng)過程中提供電荷配平作用。該電池原理上電性能優(yōu)良，且材料廉價(jià)，環(huán)保，非常具有學(xué)術(shù)以及應(yīng)用價(jià)值。為使該電池能夠獲得廣泛運(yùn)用，發(fā)明人提供一種全新的電池結(jié)構(gòu)，包括正極、負(fù)極、電解液和隔膜。

正極結(jié)構(gòu)主要包括正極集流體，正極活性物質(zhì)和粘接劑，導(dǎo)電劑等。正極 集流體為石墨，不銹鋼制成的箔或者網(wǎng)。正極中所包含的活性物質(zhì)需要跟導(dǎo)電劑、粘接劑以一定比例混合均勻并涂覆在正極集流體上。為獲得一定的能量密度，集流體不能過厚，優(yōu)選范圍為0.01mm-5mm之間。為使電解液浸潤(rùn)不困難，正極活性物質(zhì)中的脫嵌離子移動(dòng)暢通，正極活性物質(zhì)涂覆厚度不能過大，優(yōu)選范圍為0.05mm-10mm。正極結(jié)構(gòu)如附圖1所示

負(fù)極結(jié)構(gòu)主要有集流體和活性物質(zhì)。集流體負(fù)極結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電池的正負(fù)極，隔膜電解液等裝入一個(gè)特制的容器內(nèi)，如說明書附圖所示。其中電池正負(fù)極需要用導(dǎo)體與外界連接，以提供電子傳導(dǎo)通道。對(duì)于正極，集流體穿過電池蓋板，并與蓋板密封。負(fù)極采用同樣的方式穿過蓋板與外電路連接。如圖2所示，電池負(fù)極集流體與外電路導(dǎo)線可以采用焊接等方式在電池內(nèi)部或外部連接；

本發(fā)明提到的上述特征，或?qū)嵤├岬降奶卣骺梢匀我饨M合。本案說明書所揭示的所有特征可與任何組合物形式并用，說明書中所揭示的各個(gè)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。因此除有特別說明，所揭示的特征僅為均等或相似特征的一般性例子。

本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明提供的電池具備優(yōu)秀的電性能且兼具環(huán)保，廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明提供的電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造和可靠性高。

3、本發(fā)明提供的電池能夠獲得廣泛應(yīng)用。

據(jù)此，本發(fā)明提供了一種廉價(jià)可靠且電性能良好的儲(chǔ)能裝置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電池正極微觀結(jié)構(gòu)示意圖；其中：311表示正極集流體；312表示正極活性物質(zhì)；313表示粘接劑；314表示導(dǎo)電劑；其中活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑與粘接劑混合均勻與正極集流體相連。

圖2是電池蓋板結(jié)構(gòu)示意圖，其中：311表示正極集流體；315為與311焊接或鉚接的不銹鋼導(dǎo)體；316表示正極外電路導(dǎo)線；321表示負(fù)極集流體；325為連接321的導(dǎo)體；326表示負(fù)極外電路導(dǎo)線；360表示蓋板，370表示防爆閥。

圖3是實(shí)施例1中正極示意圖，其中：311表示正極集流體，312表示正 極活性物質(zhì)層；其中如果311為石墨箔，則可以將一塊不銹鋼網(wǎng)或者箔317粘接或鉚接于石墨箔上，以方便與不銹鋼導(dǎo)體315焊接

圖4是實(shí)施例1中電池負(fù)極示意圖；其中：323表示負(fù)極集流體，324表示負(fù)極表面涂/鍍層，321為負(fù)極活性物質(zhì)。

圖5為實(shí)施例1所述電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中：311表示正極集流體，312表示正極活性物質(zhì)層，323表示負(fù)極集流體，321表示負(fù)極活性物質(zhì)，330表示隔膜，360表示蓋板，380表示電池殼體。

圖6為實(shí)施例1電池首次充放電曲線圖。

圖7為實(shí)施例1電池充放電循環(huán)性能圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則所有的百分?jǐn)?shù)、比率、比例、或份數(shù)按質(zhì)量計(jì)。

本發(fā)明中的質(zhì)量體積百分比中的單位是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，例如是指在100毫升的溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量。

除非另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域熟練人員所熟悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。

實(shí)施例1

將正極活性物質(zhì)LiMn₂O₄與導(dǎo)電炭黑，粘接劑SBR(丁苯橡膠乳)以85:10:5的比例均勻混合，加入一定量水調(diào)和成漿狀，均勻涂覆在0.1mm厚不銹鋼網(wǎng)304上，活性物質(zhì)層區(qū)域的尺寸為100mmX100mm，一片正極集流體上涂覆活性物質(zhì)約20g。105℃烘干10小時(shí)備用，電池正極活性物質(zhì)總量20g，理論容量2000mah。正極片形狀如附圖3所示。在集流體極耳處鉚接一塊10mmX30mm的不銹鋼網(wǎng)以做焊接用。

電池負(fù)極集流體基體采用銅箔或鋁箔，厚度為0.051mm。形狀為方形，形狀如圖5所示，其大小比正極稍大或與正極相同，鋁箔表面附著一層鋅箔，厚度0.1mm。

負(fù)極活性物質(zhì)制作方法如下：

在裝有攪拌、回流冷凝管和溫度計(jì)的500mL三口燒瓶中，分別加入40g丙烯酰胺(AM)和5克N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)于水相中，攪拌至全溶后，通N₂約20min，排除空氣。然后加熱升溫至50℃，同時(shí)分別滴加含有0.15gK₂S₂O₈和0.15gKHSO₃的水溶液，在N₂保護(hù)下維持此溫度反應(yīng)，當(dāng)有凝膠生成時(shí)停止反應(yīng)。生成的凝膠依次用水和甲醇進(jìn)行洗滌，在70℃真空干燥箱中進(jìn)行干燥，烘干后經(jīng)研磨、過篩，得到白色粉末狀的交聯(lián)聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱CPAM)。通過改變MBA的加入量可以制得不同交聯(lián)度的CPAM

稱取142g交聯(lián)聚丙烯酰胺(CPAM)，在室溫下用蒸餾水溶脹12h后，用NaOH溶液將溶液的pH值調(diào)至11，然后加入60g多聚甲醛干粉，使聚丙烯酰胺的氨基與甲醛單體的摩爾比為1∶1，混合攪拌均勻，在25℃下發(fā)生羥甲基化反應(yīng)，并維持此溫度反應(yīng)3h。然后，在反應(yīng)體系中加入120克的亞磷酸，升高溫度到90℃，回流攪拌反應(yīng)8h，反應(yīng)結(jié)束后將產(chǎn)物水洗至中性，用1mol/L的NaOH溶液洗滌數(shù)次，隨后水洗至中性，再用1mol/L的鹽酸洗滌數(shù)次使樹脂轉(zhuǎn)至氫型，水洗至中性，最后再用甲醇洗3～4次，真空干燥至恒重，得到深黃色的聚丙烯-胺基膦酸鈉材料。

取20克聚丙烯-胺基膦酸鈉材料，分散于100克蒸餾水中，加入50克硫酸鋅，60℃下攪拌12小時(shí)，蒸餾水洗滌，烘干，得到鋅基負(fù)極材料。

使用行星球磨機(jī)，在400轉(zhuǎn)下研磨負(fù)極材料4小時(shí)。按照負(fù)極材料:導(dǎo)電石墨(特密高公司Super-P型導(dǎo)電石墨):鋅粉:PTFE為60:7:25:8的比例分散，壓制成100mmX100mm方塊、質(zhì)量為15g的極片。

電池集流體采用20微米厚鋁箔，與50微米鋅箔疊在一起，呈夾心形狀(鋅箔-鋁箔-鋅箔)。

電池隔膜采用玻璃纖維隔膜，厚度為1mm。

電池采用2片負(fù)極，1片正極交錯(cuò)排列(鋁箔-鋅箔-負(fù)極-隔膜-正極-隔膜-負(fù)極-鋅箔-鋁箔)，正負(fù)極之間的隔膜為玻璃纖維隔膜。將電池電極等裝入塑料電池殼，注入30毫升電解液。正負(fù)極集流體穿過電池蓋板，結(jié)合處用硅膠密封。

電池電解液為1mol/L的硫酸鋰溶液，pH值為4-6之間。充電時(shí)，正極活性物質(zhì)中的鋰離子脫嵌進(jìn)入電解液，與此同時(shí)負(fù)極螯合態(tài)的鋅被還原成金屬態(tài)。

電池充電過程中會(huì)產(chǎn)生少量氣體(水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣)，電極上產(chǎn) 生的一部分氣體通過擴(kuò)散作用到達(dá)對(duì)電極上被消耗掉，同時(shí)電池蓋板上設(shè)置防爆閥，以防止電池殼內(nèi)壓力過多增加，從而導(dǎo)致爆炸。由于氣體的產(chǎn)生，致使電池充放電電流效率小于100％。電池首次充放電電壓-容量曲線圖如圖6所示。首次充放電電流效率為93％，電池循環(huán)充放電性能見圖7。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容是廣義地定義于申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍中，任何他人完成的技術(shù)實(shí)體或方法，若是與權(quán)利要求范圍所定義的完全相同，也或是一種等效的變更，均將被視為涵蓋于該權(quán)利要求范圍之中。