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一種可充電水系鋅離子電池的制作方法

文檔序號(hào):11203657閱讀:9474來源:國(guó)知局
一種可充電水系鋅離子電池的制造方法與工藝

本發(fā)明屬于新型化學(xué)電源和新能源材料領(lǐng)域,具體涉及一種以釩酸鹽為電極活性材料的新型可充電水系鋅離子電池。



背景技術(shù):

綠色清潔能源的開發(fā)和利用對(duì)于解決當(dāng)前人類社會(huì)所面臨的能源危機(jī)具有重要的意義。新型能源如太陽能、風(fēng)能等因其可再生、無污染等優(yōu)點(diǎn)逐漸被世界所接受并推廣。然而這些能源轉(zhuǎn)化成電能后必定需要高效的、可循環(huán)利用的電能儲(chǔ)備裝置以滿足消費(fèi)者對(duì)便攜式電子用品的要求。在此背景下,電池的發(fā)展備受重視。一次電池,如鎳鎘電池、鎳氫電池和鉛酸電池等因其比容量低,循環(huán)壽命短,充電時(shí)間長(zhǎng),對(duì)環(huán)境有污染等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。鋰離子二次電池因其具有高的工作電壓、較大的比能量、長(zhǎng)的循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境友好等性能,使其成為了科學(xué)研究者的重點(diǎn)研究對(duì)象,并得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而,有限的鋰資源、日益增加的生產(chǎn)成本以及使用過程中存在安全隱患等問題限制了其在大型儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

作為新世紀(jì)另一種重要的綠色儲(chǔ)能器件,鋅離子電池因其特有的低成本、安全、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而被廣泛開發(fā)和研究。然而,鋅離子電池較低的能量密度、較長(zhǎng)的充電時(shí)間和較短的循環(huán)壽命限制了其發(fā)展空間。開發(fā)基于納米材料的高性能、復(fù)合化、低成本、綠色化的鋅離子電池是新能源技術(shù)和納米技術(shù)的交叉和前沿,具有重要的科學(xué)意義和潛在應(yīng)用價(jià)值。而鋅離子電池的性能在很大程度上取決于電極材料,因此,研究和開發(fā)低成本、高容量、長(zhǎng)壽命的電極材料是推動(dòng)鋅離子電池快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種安全環(huán)保,成本低,同時(shí)具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的可充電水系鋅離子電池。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種可充電水系鋅離子電池,由正極、負(fù)極、介于兩者之間的隔膜以及含有陰陽離子并具有離子導(dǎo)電性的電解液組成,所述的正極的活性材料為脫嵌鋅離子的釩酸鹽為主;所述電解液是鋅的可溶性鹽為溶質(zhì)、水為溶劑,濃度為0.1–5mol/l,具有離子導(dǎo)電性的液態(tài)或凝膠態(tài)材料。

按上述方案,所述的釩酸鹽分子式為axvyoz,其中,a=li、na、k或rb;0<x<20,0<y<20,0<z<20。

按上述方案,所述的x=0.33,y=2,z=5。

按上述方案,所述隔膜為具有優(yōu)良浸潤(rùn)性的玻璃纖維隔膜、濾紙或聚四氟乙烯隔膜。

按上述方案,所述的負(fù)極的活性材料采用金屬鋅片、鋅粉或鋅碳復(fù)合物。

按上述方案,所述的鋅的可溶性鹽為三氟甲烷磺酸鋅、高氯酸鋅或硫酸鋅。

按上述方案,所述的電解液中的添加劑為含釩的可溶性鹽。

本發(fā)明首次發(fā)現(xiàn)了鋅離子在水系電解液中能可逆的在釩酸鹽材料axvyoz中進(jìn)行脫嵌,這種鋅離子電池具有安全環(huán)保,成本低,容量高,循環(huán)性好的特點(diǎn)。本發(fā)明的正極片可以采用如下制備方案:將粘結(jié)劑溶于對(duì)應(yīng)的試劑,將一定量的釩酸鹽材料與導(dǎo)電劑研磨均勻后加入上述溶液中,進(jìn)行分超聲散,制備成漿料,均勻涂覆于集流體上,涂覆層厚度為50–250μm,真空烘干制得正極片。所述集流體包括碳布、泡沫鎳、不銹鋼箔、銅箔、鋁箔、鉬箔和鈦箔;所述導(dǎo)電劑包括活性炭、炭纖維、乙炔黑、科琴黑、石墨炭納米管;所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)或羧甲基纖維素鈉(cmc);本發(fā)明的負(fù)極片可以采用如下制備方案:其中金屬鋅片用砂紙打磨,用酒精和丙酮清洗幾遍,直接作為負(fù)極片;采用鋅粉時(shí),需要與導(dǎo)電劑研磨均勻,與粘合劑均勻混合制成漿料,涂覆于厚度為0.01–1.0mm的集流體上,涂覆層厚度為1–250μm,真空烘干制得負(fù)極片;本發(fā)明的所述電解液是以三氟甲烷磺酸鋅、雙三氟甲烷磺酰亞胺、高氯酸鋅、硫酸鋅為溶質(zhì)、水為溶劑,具有離子導(dǎo)電性的液態(tài)或凝膠態(tài)材料;其中,電解液的濃度為0.1–5mol/l,電解液中的添加劑為含釩的可溶性鹽??赏ㄟ^添加酸、堿或緩沖溶液等來調(diào)節(jié)電解質(zhì)的ph值在2~7.5。

本發(fā)明的有益效果是:利用鋅離子在水系電解液中能可逆的在釩酸鹽材料axvyoz(其中,a=li、na、k、rb;0<x<20,0<y<20,0<z<20)中進(jìn)行脫嵌,同時(shí)以鋅為主的負(fù)極在水溶液中具有穩(wěn)定的氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能機(jī)理,這類電池具有循環(huán)性好,容量高的特點(diǎn)。合成釩酸鹽電極材料對(duì)設(shè)備要求低,工藝簡(jiǎn)單易行,操作周期短,易于擴(kuò)大化生產(chǎn);電解液采用了水系三氟甲烷磺酸鋅、雙三氟甲烷磺酰亞胺、高氯酸鋅、硫酸鋅電解液,具有價(jià)格低廉,安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì);同時(shí),負(fù)極采用資源豐富、廉價(jià)的鋅材料。組裝成水系鋅離子電池,該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的高倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命,是高功率、長(zhǎng)壽命鋅離子電池的潛在應(yīng)用材料,在大規(guī)模儲(chǔ)能方面有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的na0.33v2o5納米線材料的xrd圖;

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的na0.33v2o5在0.2ag-1電流密度下的電池循環(huán)性能曲線圖;

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所組裝的紐扣電池;

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的li0.33v2o5材料的倍率性能圖;

圖5是本發(fā)明實(shí)施例3所組裝的軟包裝電池;

圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的na0.33v2o5材料的在1.0ag-1電流密度下的電池循環(huán)性能曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例1:

一種長(zhǎng)壽命高能量密度的可充電鋅離子電池,正極活性物質(zhì)采用na0.33v2o5納米線材料(xrd為圖1),負(fù)極為以鋅片為材料,隔膜采用玻璃纖維隔膜,電解質(zhì)為3mol/l三氟甲烷磺酸鋅。其制備方法,包括以下步驟:

(1)na0.33v2o5正極片的制備

將粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)溶n-甲基吡咯烷酮(nmp)中得到澄清溶液,將一定量的na0.33v2o5納米線正極材料研磨均勻后加入上述溶液中(按活性物質(zhì):乙炔黑:粘接劑=7:2:1),進(jìn)行分超聲散,制備成漿料,均勻涂覆于厚度為0.05mm的鈦箔上,涂覆層厚度為150μm,真空烘干制得正極片。

(2)電解液的制備

將一定量的三氟甲烷磺酸鋅鹽溶于去離子水中,配置成濃度為3mol/l的電解液;

(3)負(fù)極片的制備

將金屬鋅片用砂紙打磨,用酒精和丙酮清洗幾遍,沖裁得到直徑為12mm的圓片,作為負(fù)極片。

(4)水系鋅離子電池的組裝

將步驟(1)制備好的正極片與步驟(3)制備好的負(fù)極片用厚度為0.2mm的玻璃纖維膜隔開,放入電池殼中,然后分別注入濃度為3mol/l的硫酸鋅鹽,最后對(duì)電池進(jìn)行封裝。

實(shí)施例1制備的納米線材料,x射線衍射分析顯示為純相na0.33v2o5,如圖1所示。作為鋅離子電池正極活性材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。如圖2所示,在電流密度為0.2ag-1時(shí)進(jìn)行恒流充放電測(cè)試,放電容量分別為276.6mahg-1,100次循環(huán)后,容量保持率為91.3%。該水系鋅離子電池不僅具有高的比容量和長(zhǎng)的循環(huán)壽命,還具有工藝簡(jiǎn)單,安全環(huán)保,成本低的優(yōu)點(diǎn),在大規(guī)模儲(chǔ)能方面有廣闊的應(yīng)用前景。

實(shí)施例2:

一種長(zhǎng)壽命高能量密度的可充電鋅離子電池,正極活性物質(zhì)采用li0.33v2o5納米線材料,負(fù)極為以鋅片為材料,隔膜采用玻璃纖維隔膜,電解質(zhì)為3mol/l硫酸鋅。制備方法,包括以下步驟:

(1)li0.33v2o5正極片的制備

將粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)溶n-甲基吡咯烷酮(nmp)中得到澄清溶液,將一定量的li0.33v2o5材料研磨均勻后加入上述溶液中(按活性物質(zhì):乙炔黑:粘接劑=7:2:1),進(jìn)行分超聲散,制備成漿料,均勻涂覆于厚度為0.05mm的鈦箔上,涂覆層厚度為150μm,真空烘干制得正極片。

(2)電解液的制備

將一定量的硫酸鋅鹽溶于去離子水中,配置成濃度為3mol/l的電解液。

(3)負(fù)極片的制備

將金屬鋅片用砂紙打磨,用酒精和丙酮清洗幾遍,沖裁得到直徑為12mm的圓片,作為負(fù)極片。

(4)水系鋅離子電池的組裝

將步驟(1)制備好的正極片與步驟(3)制備好的負(fù)極片用厚度為0.2mm的玻璃纖維膜隔開,放入電池殼中,然后分別注入濃度為3mol/l的硫酸鋅鹽,最后封裝成紐扣電池,如圖3所示。

實(shí)施例2制備的li0.33v2o5納米線材料作為鋅離子電池正極活性材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。如圖4所示,在電流密度為0.1、0.2、0.5、0.8、1.0和2.0ag-1時(shí)進(jìn)行恒流充放電測(cè)試,放電容量分別為362.2、254.6、172.5、141.7、138.2和100.4mahg-1,表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。

實(shí)施例3:

一種長(zhǎng)壽命高能量密度的可充電鋅離子電池,正極活性物質(zhì)采用na0.33v2o5納米線材料,負(fù)極為以鋅片為材料,隔膜采用玻璃纖維隔膜,電解質(zhì)為3mol/l硫酸鋅。制備方法,包括以下步驟:

(1)na0.33v2o5正極片的制備

將粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)溶n-甲基吡咯烷酮(nmp)中得到澄清溶液,將一定量的na0.33v2o5材料研磨均勻后加入上述溶液中(按活性物質(zhì):乙炔黑:粘接劑=7:2:1),進(jìn)行分超聲散,制備成漿料,均勻涂覆于厚度為0.05mm的鈦箔上,涂覆層厚度為150μm,真空烘干制得正極片。

(2)電解液的制備

將一定量的硫酸鋅鹽溶于去離子水中,配置成濃度為3mol/l的電解液,其中還添加0.01mol/l硫酸氧釩溶液。

(3)負(fù)極片的制備

將金屬鋅片用砂紙打磨,用酒精和丙酮清洗幾遍,沖裁得到直徑為12mm的圓片,作為負(fù)極片。

(4)水系鋅離子電池的組裝

將步驟(1)制備好的正極片與步驟(3)制備好的負(fù)極片用厚度為0.2mm的玻璃纖維膜隔開,放入電池殼中,然后分別注入濃度為3mol/l的硫酸鋅鹽,最后封裝成軟包裝電池,如圖5所示。

實(shí)施例3制備的na0.33v2o5納米線材料作為鋅離子電池正極活性材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。如圖6所示,在1.0ag-1的電流密度下進(jìn)行測(cè)試,循環(huán)1000次后,放電比容量可達(dá)212.4mahg-1,容量保持率高于92%,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。

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