高容量電池及其製備方法
2023-12-08 06:47:26 1
高容量電池及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了高容量電池及其製備方法，電池負極的活性物質為金屬鋰、金屬鎂或金屬鋁中的一種或它們的二元或三元合金；電池正極的活性物質為單質硫或單質氧，或單質硫與單質氧的混合物。本發明克服了直接以金屬鋰、鎂或鋁為負極組裝或生產電池有兩個缺點：1）金屬鋰價格昂貴並且不穩定，導致成本增加且操作不便；2）金屬鎂或鋁表面易形成鈍化膜，導致充放電效率降低甚至失敗。本發明的金屬負極採用在充電過程中產生，由於電池本身的密封性，則不僅可以保護鋰負極，而且鎂、鋁負極表面鈍化膜也可避免；雖然充電分解氫氧化物或鹽，雖然要消耗額外的電能，但是避免了直接使用金屬，整體成本將可能大幅下降。
【專利說明】高容量電池及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高分子電池【技術領域】，尤其是一種高容量電池及其製備方法。
【背景技術】
[0002]大容量電池或二次電池在電子消費品日益豐富的現代生活中，扮演著越來越重要的作用。動力電池則將在交通領域日漸發揮作用，將對優化能源消耗、改善環境質量、促進經濟轉型等方面作出重大貢獻。
[0003]以金屬為負極活性材料的可充電池中，鋰、鎂、鋁三種金屬具有極大優勢。鋰、鎂、鋁均屬輕金屬，它們都有很大的電化學活性，標準電極電位分別為:-3.05V、-2.40V、-1.70V ;電化學容量分別為:3860 mAh/g、2200 mAh/g、2980 mAh/g (單位質量)，或2080 mAh/cm3>3800 mAh/cm3>8100 mAh/cm3 (單位體積)。因此，鋰、鎂、招三種金屬在新能源電池發展中受到極大的重視。
[0004]目前的以鋰為負極活性物的電池實際上是鋰離子電池，其機理是通過鋰離子的穿梭或搖擺作用實現電能的充放，目前鋰離子電池的負極是(含)碳材料，正極是層狀的過渡金屬含氧酸鹽，主要有LiCo04、LiMn02、LiMnP04或其他非計量型化合物。這類正極材料的理論電化學容量均在100-300 mAh/g之間，目前的鋰離子電池並未充分發掘金屬鋰的高容量特徵，因此尋找容量更高的正極材料對提高電池容量具有重大意義。
[0005]作為電極材料，金屬鎂在成本、安全、環保方面優於金屬鋰，其本身的活性及電化學容量也不錯，同樣受到各方關注。然而，金屬鎂表面容易形成鈍化膜，會阻礙鎂離子的可逆沉積，放電電流一般不大。另外，尋找合適的電解液體系也是鎂電池的一大挑戰。
[0006]金屬鋁作為電極材料也有很大的成本優勢，鋁的體積容量更是高達8100 mAh/cm3，遠遠高於其他金屬材料。鋁的確也在空氣電池中發揮了一定作用。然而鋁在水基電解液中存在可觀的析氫反應，妨礙了鋁電池的推廣應用。
[0007]O2作為正極活性物質，電化學容量可達1675 mAh/g (還原到0廣)，或3350 mAh/g(還原到02_)，單質硫(S)的電化學容量為1675 mAh/g，均可作為高容量可充電池的理想正極材料。由於各種技術上的局限，比如單質硫放電產物一多硫化物的溶解等，導致O2和單質硫的作為電極材料的推廣也受到限制。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是:提供一種高容量電池及其製備方法，它容量高、性能穩定，易於生產，成本低廉，以克服現有技術的不足。
[0009]本發明是這樣實現的:高容量電池，電池負極的活性物質為金屬鋰、金屬鎂或金屬鋁中的一種或它們的二元或三元合金；電池正極的活性物質為單質硫或單質氧，或單質硫與單質氧的混合物。
[0010]高容量電池的製備方法，按重量份數計算，將含有鋰、鎂或鋁的氧化物、氫氧化物或鹽10-90質量份，單質硫10-90質量份，導電劑2-10質量份，10-50體積份溶劑及2_10體積份粘合劑充分混合，得到糊狀電極材料；將糊狀電極材料置於烘箱中，20°C -200°C乾燥至恆重；後塗敷或壓實在集流體上，並在電池殼內加工成電池的初始正極及電池的初始負極，電池的初始負極封閉在電池殼內，電池的初始正極與大氣連通；對電池的初始正極及電池的初始負極充電，使電池的初始正極及電池的初始負極中的含有鋰、鎂或鋁的氧化物、氫氧化物或鹽充分電離，分別形成電池正極及負極的活性物質；其中質量份與體積份的比例單位為g/mL。
[0011]所述的含有鋰、鎂或招的氫氧化物為氫氧化鋰、氫氧化鎂或氫氧化招,所述的含有鋰、鎂或鋁的甲酸鹽為甲酸鋰、甲酸鎂或甲酸鋁。
[0012]對電池的初始正極及電池的初始負極充電的電流強度為1-lOOOmA/cm2，充電時間為1-11小時。
[0013]由於採用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明克服了直接以金屬鋰、鎂或鋁為負極組裝或生產電池有兩個缺點:1)金屬鋰價格昂貴並且不穩定，導致成本增加且操作不便；2)金屬鎂或鋁表面易形成鈍化膜，導致充放電效率降低甚至失敗。本發明的金屬負極採用在充電過程中產生，由於電池本身的密封性，則不僅可以保護鋰負極，而且鎂、鋁負極表面鈍化膜也可避免；雖然充電分解氫氧化物或鹽，雖然要消耗額外的電能，但是避免了直接使用金屬，整體成本將可能大幅下降。本發明簡單易行、材料來源廣泛、成本低廉，使用效果好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的產品的剖面示意圖；
附圖1中，I表不電池正極、2表不電池負極、3表不電解液、4表不電池殼、5表不隔膜、6表示導線或集流體；
圖2為本發明的實施例1的L1-S電池充電曲線；說明根據本發明生產的L1-S電池實現順利充電；
圖3為本發明的實施例6的L1- (S+空氣)電池充電曲線；說明根據本發明生產的L1- (S+空氣)電池實現順利充電；
圖4為本發明的實施例4 Mg-S電池充電曲線；說明根據本發明生產的Mg-S電池實現順利充電。
[0015]圖5為本發明的實施例2的Al-S電池充電曲線；說明根據本發明生產的Al-S電池實現順利充電；
圖6為本發明的實施例1、施例3的L1-S電池放電曲線；說明根據本發明生產的L1-S電池實現順利放電；
圖7為本發明的實施例4、實施例5的Mg-S電池放電曲線；說明根據本發明生產的Mg-S電池實現順利放電。
[0016]圖8為本發明的實施例3的Al-S電池放電曲線；說明根據本發明生產的Al-S電池實現順利放電；
圖9為本發明的實施例6的(Mg+Al)-S電池放電曲線；說明根據本發明組裝的(Mg+Al) -S電池實現順利放電；
圖10為本發明的實施例6的(Li+Mg+Al)-S電池放電曲線；說明根據本發明生產的(Li+Mg+Al) -S電池實現順利放電；
圖11為本發明的實施例5的Mg-S電池充、放電曲線。說明根據本發明生產的Mg-S電池實現順利充、放電。
【具體實施方式】
[0017]本發明的實施例1:高容量電池的製備方法，稱取3.2g硫、8.5克Li0H*H20、0.45g乙炔黑，加入10 mL乙醇及2 mL聚偏氟乙烯乳液，充分攪拌、混勻，塗於鎳網上，80 °C乾燥2小時待用；裁取合適大小的隔離膜，以鋁箔為負極集流體，取2 mL電解液，照圖1組裝電池；以100 mA/cm2充電，得到電池成品。以氫氧化鎂、氫氧化鋁為原料配製正極的操作同上。
[0018]本發明的實施例2:高容量電池的製備方法，稱取13.3g氫氧化鋁、0.45g乙炔黑，加入5mL無水四氫呋喃-三乙醇胺-乙酸(體積比1:1:1)，充分攪拌、混勻，塗於鎳網上，置於矽膠乾燥器中晾乾作為負極；同時稱取4.9g硫、0.45g乙炔黑，加入10 mL乙醇及2 mL聚偏氟乙烯乳液，充分攪拌、混勻，塗於鎳網上，80 °C乾燥2小時，作為正極待用。按照圖1組裝電池，以100 mA/cm2充電，得到電池成品。以氫氧化鎂或氫氧化鋰為原料配製正極的操作同上。
[0019]本發明的實施例3:高容量電池的製備方法，稱取甲酸鋰(HCO2Li.H2O) 14g、3.2g硫、4.5gLi0H*H20、0.45g乙炔黑，加入10 mL乙醇及2 mL聚偏氟乙烯乳液，充分攪拌、混勻，塗於鎳網上，80°C乾燥2小時待用；裁取合適大小的隔離膜，以鋁箔為負極集流體，取2 mL電解液，照圖1組裝電池；以100 mA/cm2充電，得到電池成品。以甲酸鎂或甲酸鋁為原料配製正極的操作同上。
[0020]本發明的實施例4:高容量電池的製備方法，稱取5.8g氫氧化鎂、3.2g硫、0.45g乙炔黑，加入10 mL乙醇及2 mL聚偏氟乙烯乳液，充分攪拌、混勻，反應I小時後，塗於鎳網上，80°C乾燥2小時待用；裁取合適大小的隔離膜，以鋁箔為負極集流體，取2 mL電解液，照圖1組裝電池；以100 mA/cm2充電，得到電池成品。以氫氧化鋰或氫氧化鋁為原料配製正極的操作同上。
[0021]本發明的實施例5:高容量電池的製備方法，稱取4.0g氧化鎂、4.5g甲酸、3.2g硫、0.45g乙炔黑，加入5g甲酸、10 mL乙醇及2 mL聚偏氟乙烯乳液，充分攪拌、混勻，反應I小時後，塗於鎳網上，80°C乾燥2小時待用；裁取合適大小的隔離膜，以鋁箔為負極集流體，取2 mL電解液，照圖1組裝電池；以100 mA/cm2充電，得到電池成品。以氫氧化鋰、氫氧化鋁為原料配製正極的操作同上。
[0022]本發明的實施例6:高容量電池的製備方法，按照上述實施例的方案，但是在電極組分中去掉硫，得到相應的金屬-空氣電池；減少硫的量，則得到金屬(鋰、鎂、招)_ (硫+空氣)電池；如果使用混合金屬(鋰、鎂、鋁)的氧化物、氫氧化物或鹽類，則得到合金-硫(空氣)電池，如:(Mg+Al)-S電池等。
[0023]本發明的實施例7:高容量電池的製備方法，按照上述實施例的方案，在電極組分中去掉硫，作為相應的金屬(鋰、鎂、鋁)_空氣電池的負極材料；相應的正極材料則是在電極配料中去掉金屬化合物(氧化物、氫氧化物、甲酸鹽)，並且保留硫。
[0024]本發明的實施例8:將上述任意實施例中製備的產品串聯以上3枚電池可以得到用於手機的電池(3 V以上)。以不同方式串聯、並聯分別得到其他消費電子產品電池或動力電池（9V、12V、24V、48V......等等)。
【權利要求】
1.一種高容量電池，其特徵在於:電池負極的活性物質為金屬鋰、金屬鎂或金屬鋁中的一種或它們的二元或三元合金；電池正極的活性物質為單質硫或單質氧，或單質硫與單質氧的混合物。
2.一種如權利要求1所述的高容量電池的製備方法，其特徵在於:將含有鋰、鎂或鋁的氫氧化物或甲酸鹽10-90質量份，單質硫10-90質量份，導電劑5-15質量份，10-50體積份溶劑及2-10體積份混合，得到糊狀電極材料；將糊狀電極材料烘乾後塗敷或壓實在集流體上，並在電池殼內加工成電池的初始正極及電池的初始負極，電池的初始負極封閉在電池殼內，電池的初始正極與大氣連通；對電池的初始正極及電池的初始負極充電，使電池的初始正極及電池的初始負極中的含有鋰、鎂或鋁的氫氧化物或鹽充分電離，分別形成電池正極及負極的活性物質；其中質量份與體積份的比例單位為g/mL。
3.根據權利要求2所述的高容量電池的製備方法，其特徵在於:所述的含有鋰、鎂或鋁的氫氧化物為氫氧化鋰、氫氧化鎂或氫氧化招，所述的含有鋰、鎂或招的甲酸鹽為甲酸鋰、甲酸鎂或甲酸鋁。
【文檔編號】H01M4/36GK104393264SQ201410711151
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】楊成 申請人:楊成