[发明专利]高容量电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子电池技术领域，尤其是一种高容量电池及其制备方法。

背景技术

大容量电池或二次电池在电子消费品日益丰富的现代生活中，扮演着越来越重要的作用。动力电池则将在交通领域日渐发挥作用，将对优化能源消耗、改善环境质量、促进经济转型等方面作出重大贡献。

以金属为负极活性材料的可充电池中，锂、镁、铝三种金属具有极大优势。锂、镁、铝均属轻金属，它们都有很大的电化学活性，标准电极电位分别为：-3.05V、-2.40V、-1.70V；电化学容量分别为：3860 mAh/g、2200 mAh/g、2980 mAh/g（单位质量），或2080 mAh/cm³、3800 mAh/cm³、8100 mAh/cm³（单位体积）。因此，锂、镁、铝三种金属在新能源电池发展中受到极大的重视。

目前的以锂为负极活性物的电池实际上是锂离子电池，其机理是通过锂离子的穿梭或摇摆作用实现电能的充放，目前锂离子电池的负极是（含）碳材料，正极是层状的过渡金属含氧酸盐，主要有LiCoO₄、LiMnO₂、LiMnPO₄或其他非计量型化合物。这类正极材料的理论电化学容量均在100-300 mAh/g之间，目前的锂离子电池并未充分发掘金属锂的高容量特征，因此寻找容量更高的正极材料对提高电池容量具有重大意义。

作为电极材料，金属镁在成本、安全、环保方面优于金属锂，其本身的活性及电化学容量也不错，同样受到各方关注。然而，金属镁表面容易形成钝化膜，会阻碍镁离子的可逆沉积，放电电流一般不大。另外，寻找合适的电解液体系也是镁电池的一大挑战。

金属铝作为电极材料也有很大的成本优势，铝的体积容量更是高达8100 mAh/cm³，远远高于其他金属材料。铝的确也在空气电池中发挥了一定作用。然而铝在水基电解液中存在可观的析氢反应，妨碍了铝电池的推广应用。

O₂作为正极活性物质，电化学容量可达1675 mAh/g（还原到O₂^2-），或3350 mAh/g（还原到O^2-），单质硫（S）的电化学容量为1675 mAh/g，均可作为高容量可充电池的理想正极材料。由于各种技术上的局限，比如单质硫放电产物—多硫化物的溶解等，导致O₂和单质硫的作为电极材料的推广也受到限制。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高容量电池及其制备方法，它容量高、性能稳定，易于生产，成本低廉，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：高容量电池，电池负极的活性物质为金属锂、金属镁或金属铝中的一种或它们的二元或三元合金；电池正极的活性物质为单质硫或单质氧，或单质硫与单质氧的混合物。

高容量电池的制备方法，按重量份数计算，将含有锂、镁或铝的氧化物、氢氧化物或盐10-90质量份，单质硫10-90质量份，导电剂2-10质量份，10-50体积份溶剂及2-10体积份粘合剂充分混合，得到糊状电极材料；将糊状电极材料置于烘箱中，20℃-200℃干燥至恒重；后涂敷或压实在集流体上，并在电池壳内加工成电池的初始正极及电池的初始负极，电池的初始负极封闭在电池壳内，电池的初始正极与大气连通；对电池的初始正极及电池的初始负极充电，使电池的初始正极及电池的初始负极中的含有锂、镁或铝的氧化物、氢氧化物或盐充分电离，分别形成电池正极及负极的活性物质；其中质量份与体积份的比例单位为g/mL。

所述的含有锂、镁或铝的氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化镁或氢氧化铝，所述的含有锂、镁或铝的甲酸盐为甲酸锂、甲酸镁或甲酸铝。

对电池的初始正极及电池的初始负极充电的电流强度为1-1000mA/cm²，充电时间为1-11小时。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明克服了直接以金属锂、镁或铝为负极组装或生产电池有两个缺点：1）金属锂价格昂贵并且不稳定，导致成本增加且操作不便；2）金属镁或铝表面易形成钝化膜，导致充放电效率降低甚至失败。本发明的金属负极采用在充电过程中产生，由于电池本身的密封性，则不仅可以保护锂负极，而且镁、铝负极表面钝化膜也可避免；虽然充电分解氢氧化物或盐，虽然要消耗额外的电能，但是避免了直接使用金属，整体成本将可能大幅下降。本发明简单易行、材料来源广泛、成本低廉，使用效果好。

附图说明