[发明专利]混合水系离子电池及其应用

说明书

本发明提供一种混合水系离子电池及其应用，所述电池包括正极；以碳复合NaTi₂(PO₄)₃材料作为负极活性物质的负极；设置在正极和负极之间的隔膜；以及由水、选自尿素、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲亚砜、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯中的一种或多种、选自高氯酸钠和硝酸钠中的一种或多种与选自高氯酸锂和硝酸锂中的一种或多种配制的四元混合电解液。本发明电池采用的材料无毒无污染、不燃不爆、安全可靠，全电池的输出电压可达1.65V，能量密度高达50Wh/kg，使用寿命长达1000次以上。与现有的水系离子电池相比，本发明的电池循环稳定性高、制造过程简单、原料廉价且来源广泛、能量密度高，能够有效地解决现有水系离子电池的循环寿命短、能量密度低的问题。

技术领域

本发明涉及混合水系离子电池及其在电化学储能方面的应用。

背景技术

法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池，已经历了近150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。但是铅酸电池能量密度低(约30Wh/kg)，使用寿命短(约200次循环)，环境污染严重(例如使用酸性电解液、重金属等)。

锂离子电池具有更高的能量密度更长的使用寿命，是铅酸电池的优秀替代品。但是锂离子电池成本比铅酸电池高。不仅如此，由于锂离子电池中使用的电解液易燃易爆，使得锂离子电池自推出以来安全事故频发。在此背景下，使用不燃的水溶液作为电解质能够从根本上解决锂离子电池的安全性问题；并且该电池体系成本低、生产要求低，有望成功取代铅酸电池(文献1，J.Whitacre,A.Tevar and S.Sharma,Journal of Power Sources，2012，213，255-264)。

Whitacre(文献2，J.Whitacre,A.Tevar and S.Sharma,ElectrochemistryCommunications,2010,12,463-466)等人报道了孔道结构的Na₄Mn₉O₁₈材料能够在0.5V的电压宽度范围内可逆的脱嵌钠离子，并提供45mAh/g的容量。该材料具有优异的循环稳定性能，是钠离子电池正极材料的非常优秀的选择。人们广泛关注的负极材料是钠快离子导体结构的NaTi₂(PO₄)₃材料。该化合物的三维孔道结构能够可逆的脱嵌两个钠离子并表现出133mAh/g的较高容量。但是，由于NaTi₂(PO₄)₃材料的低导电性，其倍率性能很差，循环稳定性也受到影响。基于最近的工作(文献3，X.Li,X.Zhu,J.Liang,Z.Hou,Y.Wang,N.Lin,Y.Zhu and Y.Qian,Journal of TheElectrochemical Society,2014,161,A1181-A1187)，本发明的发明人已发现，在包覆了高导电率的石墨烯材料之后，NaTi₂(PO₄)₃材料的倍率性能与循环稳定性得到很大提高，其在20C的高倍率下循环2000次之后，仍然可以保持初始容量的75％。