[发明专利]正极、包含该正极的水系储能装置以及正极制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能领域，具体涉及正极以及包含该正极的储能装置。

背景技术

铅酸电池，其出现已超百年，拥有着成熟的电池技术，占据着汽车启动电瓶、电动自行车、UPS等储能领域的绝对市场份额。铅酸电池虽然循环使用寿命较低，能量密度也相对较低，但却拥有价格非常低廉，性价比非常高的优点。

目前，出现一种储能装置，其工作原理为：正极基于第一金属离子的脱出-嵌入反应，负极基于第二金属离子的沉积-溶解反应，电解液含参与正极脱出-嵌入反应的第一金属离子和参与负极沉积-溶解反应的第二金属离子(参见中国专利申请公开说明书CN102903973A)。该类型电池的理论能量密度为160Wh/Kg，预计实际能量密度可达50-80Wh/Kg。综上所述，该类型电池非常有希望成为替代铅酸电池的下一代储能电池，具有极大的商业价值。

然而，该类型储能装置仍需解决的问题之一是由于正极与电解液之间的副反应从而导致的电池自放电。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种能够抑制正极副反应的正极。

发明人为解决上述技术问题进行了深入研究，结果发现：通过在正极活性材料层之上设置石墨烯层或石墨烯衍生物层，能够显著抑制正极活性材料层中正极活性物质的姜泰勒效应以及导电剂的氧化和消耗，从而完成了本发明。

即，本发明包括：

一种正极，其包括：正极集流体；形成于所述正极集流体上的正极活性材料层，该正极活性材料层包含能够可逆脱出-嵌入第一金属离子的正极活性物质；以及形成于所述正极活性材料层上的石墨烯层或石墨烯衍生物层。

优选的，所述第一金属离子选自锂离子、钠离子、镁离子和锌离子。

优选的，所述正极活性物质包含选自LiMn₂O₄、LiFePO₄和LiCoO₂中一种或两种以上。

优选的，所述石墨烯层或石墨烯衍生物层的厚度是0.335nm-8000nm。

优选的，所述石墨烯层或石墨烯衍生物层具有1～50个石墨烯单分子层或石墨烯衍生物单分子层。

优选的，所述石墨烯层或石墨烯衍生物层具有5-10个石墨烯单分子层或石墨烯衍生物单分子层。

优选的，所述石墨烯衍生物是石墨烯氧化物或还原的石墨烯氧化物。

优选的，在所述正极集流体的一个面上形成一层正极活性材料层和一层所述石墨烯层，或者在所述正极集流体的两个面上各形成一层正极活性材料层和一层所述石墨烯层。

优选的，所述石墨烯层或石墨烯衍生物层包含至少覆盖了所述正极活性材料层的50％面积的连续的层。

本发明还提供了一种包含能够抑制正极副反应的正极的水系储能装置。

为此，本发明提供一种水系储能装置，其包括：如上所述的正极；负极；以及电解液，优选的，所述电解液为水溶液。

优选的，所述电解液包括第一金属离子和第二金属离子，充放电过程中，所述第一金属离子能够在所述正极可逆脱出-嵌入，所述第二金属离子在所述负极能够还原沉积为第二金属且第二金属能可逆氧化溶解为第二金属离子。

优选的，所述电解液的pH值范围为2-8。

优选的，所述第二金属离子包括锌离子、铁离子、铬离子、锰离子、锡离子、铝离子、铜离子和镍离子中的一种。

优选的，所述负极包括多孔活性碳、中孔碳、碳纳米管、赝电容性金属氧化物材料或其复合物中的至少一种。

本发明还提供了一种正极的制备方法，所述正极包括正极集流体；形成于所述正极集流体上的正极活性材料层，所述正极活性材料层包含能够可逆脱出-嵌入金属离子的正极活性物质；以及形成于所述正极活性材料层上的石墨烯层或石墨烯衍生物层；所述制备方法包括如下步骤：

将石墨烯或石墨烯衍生物分散于有机溶剂中，形成石墨烯或石墨烯衍生物分散液；将所述石墨烯或石墨烯衍生物分散液滴加于LB膜槽中的超纯水表面，使所述石墨烯或石墨烯衍生物分散液铺展于所述超纯水表面；用滑障将铺展于所述超纯水表面的石墨烯或石墨烯衍生物压缩至预设的成膜模压，形成石墨烯或石墨烯衍生物薄膜；提供含有正极活性材料层的正极集流体；将所述石墨烯或石墨烯衍生物薄膜转移到所述正极活性材料层上。

优选的，所述预设的成膜模压为12-13N/m。