[发明专利]一种高性能的水溶液锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种新型高性能的水系锂离子电池。 

背景技术

随着经济的发展，人类对传统能源的过度消耗，导致能源与环境问题日益严重。现在世界上能源的年消耗量折算成石油约80亿吨，其中80%为化石燃料。按现在的消耗速度，大约100年至200年后便会枯竭。因此，新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，已成为十分紧迫的课题。发展电动的汽车势在必行，世界各国积极开发电动的汽车，目前作为电动汽车的动力电源主要有二次电池、电化学超电容器和燃料电池等，其中二次电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池和有机系锂离子电池。但从成本、安全性、电池性能及环境影响等综合面来衡量，上述电源中没有一种电源能满足电动汽车动力电源的要求。铅酸电池、镍氢、锂离子等二次电池虽有较大的能量密度，单循环寿命较短，大电流充放电性能差；并且铅酸电池比能量低，铅有毒性；现有锂离子电池由于使用有机电解液存在安全隐患。现有电化学双层电容器虽有长寿命，高输出功率，但能量密度偏低。燃料电池成本高而且输出功率（W/Kg）较小，不能满足启动、加速和爬坡等问题。 

为解决现有电源的上述问题，加拿大Moli Energy公司（国际专利号W095/21470）提出了水系锂离子电池，基本概念与现有的有机体系锂离子电池相似，规定正负极均采用锂离子嵌入化合物，如LiMn₂O₄、VO₂，LiV₃O₈等。但在水溶液中，当锂离子嵌入脱出过程中达到一定电位时会发生析氢、析氧反应，很难找到只发生锂离子嵌入脱出而不发生析氢、析氧的电极对材料。目前在于水系锂离子电池中，正极LiMn₂O₄的研究较多，对其改性后在水溶液中循环寿命可达上千次；然而负极材料的循环寿命往往都在百次以内，所以负极材料大大限制了水系锂离子电池的发展。 

以往的文献和专利中提到的最具希望的负极材料当属碳包覆的LiTi₂(PO₄)₃，其与LiMn₂O₄组成的LiTi₂(PO₄)₃∕LiMn₂O₄体系，采用价格偏贵的镍网作为集流体，放电电压约1.5V，高于水的分解电压1.23V，虽然锂盐的加入可以提高水的稳定分解电压，然而水系锂电池的工作电压越高，则水的分解问题就越是不可避免。同时该体系的比容量仅为40mAhg^-1，其大倍率（7C）循环性能尚可，但是其寿命要远远低于超级电容器。水系锂离子电池若要作为动力电池使用，必须具备良好的持久放电（小倍率放电）能力，遗憾的是其中、小倍 率循环性能没见报道。这足以说明碳包覆的LiTi₂(PO₄)₃在水性电解液中小倍率循环性能不佳，因此目前水系锂离子电池的瓶颈问题在于研究一种更稳定的水系锂电池体系。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中，水系锂离子电池作为动力电池使用时，小倍率循环性能不佳。 

为解决这一技术问题，本发明提供的技术方案是： 

本发明提供了一种水系锂离子电池，由正极膜﹑负极膜﹑介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解液组成， 

其中，正极膜采用锂离子可嵌入和脱出的嵌入化合物，即过渡金属的氧化物﹑硫化物﹑磷化物或氯化物；负极膜采用碳包覆嵌入化合物材料C-M_xTiP₂O_7+y，材料中，碳质量含量为1%-10%，金属氧化物M_xO_y质量含量为1%-10%；电解质中，阳离子为锂离子， 

碳包覆层既可降低析氢反应电位（具体表现为表1中的不同电池体系的充放电效率，已有研究表明水系锂电池充放电效率之所以很低，其主要原因是水溶液的分解，即析氢析氧反应），又可降低TiP₂O₇的衰减， 

金属氧化物M_xO_y的引入既可以提高材料结构的稳定性，又能提高材料的倍率容量以及倍率性能，进而保证整个电池体系的循环性能。