[发明专利]利用含水电解液的锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括基于锂离子的含水(水性)电解液的锂电池。

因此本发明的电池避免了涉及使用有机电解液的严重局限并且显著增强了动力性能(电源性能，power performance)。

这些电池可在许多领域中应用，尤其是将动力供给到诸如信用卡和智能标签的薄嵌入式系统、移动电话以及电动车辆中。

背景技术

锂电池是基于其正负电极中同时的锂嵌入/脱嵌(或插入/脱出)的原理运行的。

更准确地，产生电流的电化学反应经由传导锂离子的电解液进行来自负极的锂阳离子(其嵌入到正极的受体阵列中)的转移，锂离子在运送中穿过传导锂离子的电解液。

负极通常基于碳材料如石墨并且是充电过程中锂嵌入反应的位置(场所)。

正极基于含锂的过渡金属氧化物(该金属例如可以是钴、镍或锰)并且是充电过程中锂脱嵌反应的位置(场所)。

隔膜(隔板，separator)在负极和正极之间提供物理隔离。传统地，它包括例如聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯的微孔膜，其厚度可在20μm至50μm的范围，并且其被液体电解液浸透。

液体电解液必须在充电过程中将锂离子从正极传导到负极，并且在放电过程中反之亦然(即在运行中)。该电解液传统地采取溶解在有机溶剂中的锂盐的形式，通常是碳酸盐类。

这种类型的电解液对于水是高度敏感的。因此，包含它们的可充电电池必须在严格控制的条件下进行组装，必须严格控制环境的相对湿度，通常在清洁室(绝尘室)条件下进行。

而且，基于有机溶剂的电解液具有非常有限的导电性(为10^-2S/cm级)，因而有必要使用非常好的微孔膜作为支持物(支撑物，support)，以限制该可充电电池的电解液电阻，其与膜厚度以及导电率倒数的乘积成比例。

因此，利用基于有机溶剂的锂可充电电池具有相对有限的动力性能。

为了克服与使用基于有机溶剂的电解液相关的缺陷，一些人考虑用水代替有机溶剂。得到的电解液使用pH范围为6至10的水溶液。在这种现有技术的电解液中遭遇到了以下缺陷：

-由于这些pH值，过度释放氢，

-必需使用高电位负极，因而在电池单元输出(cell output)处为低的产生电压。

因此，对于使用含水电解液的锂电池存在实际需要，其中具有有限的严重释放氢的危险并且可以使用比传统使用的负极更低电位的负极，以在电池单元输出处增大产生的电压。

发明内容

因此，本发明涉及一种包括电解槽的锂电池，包括：

-正极，

-负极，以及

-电解液，由设置在所述正极和所述负极之间的锂盐水溶液构成，

其特征在于电解液的pH为至少14，正极的嵌锂电位(lithiumintercalation potential)高于3.4V，以及负极的嵌锂电位低于2.2V。

在上文和下文中，电位(电势)相对于参考电对Li⁺/Li表示。相对于标准氢电极(NHE)，该电对的氧化还原电位为-3.02V。

在进行更详细描述之前，给出以下定义。

正极是指在电池放电时捕获电子并产生阳离子(本文的Li⁺阳离子)的电极。

负极是指在电池放电时产生电子并捕获阳离子(本文的Li⁺阳离子)的电极。

嵌锂电位是指包含50％锂的物质(材料，material)(本文的构成负极或正极的物质)的平衡热力学电位。这个值是从作为表示x(x表示物质中的嵌锂比率(lithium intercalation ratio))的函数的电位V(以伏特表示)的参考曲线加以确定的，并且该嵌入电位对应于曲线上x＝50％的电位值。图1示出了这种类型的曲线，其中嵌入电位在该曲线上用符号p_i标出。

pH是利用商购的校准溶液校准的pH计以传统方式进行测量的。

通过同时控制电解液的pH和电极的特性，本发明的发明人已经获得了具有以下优点的电池：

-使用中较少的释放氢，这限制了释放较多氢的电池发生爆炸的内在危险，

-由于相伴使用具有高嵌锂电位的正极和具有较低嵌锂电位的负极，使得在每个电池单元输出处递送出更高的电压(至少1.2V)。

根据本发明，正极有利地包含选自具有橄榄石结构且通式为LiMPO₄的锂氧化物的物质，其中M选自Fe、Mn、Ni和Co以及它们的混合物。