[发明专利]一种双离子电池

说明书

本发明提供一种双离子电池，涉及电化学储能技术领域。一种双离子电池，包括正极、负极、间隔于正极和负极之间的隔膜与电解液。正极、包括石墨类正极材料。负极材料为MnO或金属Sn箔；电解液包括电解质、有机溶剂和电解液添加剂。选用石墨类材料作为电池的正极材料，选用对锂离子具有活性的MnO或Sn箔作为负极材料。组装得到双离子电池，原料价格低廉、绿色环保、倍率性能和库伦效率良好。且负极平台电位高，抑制了电池在反复充放电过程中负极表面枝晶的产生，电池的安全性大大提高。此外，在双离子电池的电解液中添加了电解液添加剂，可有效提高电池的稳定性，改善电池的倍率性能。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，且特别涉及一种双离子电池。

背景技术

随着社会的快速发展，化石燃料的大量使用，导致空气污染温室效越来越严重，此外，随着化学电源在便携电子设备、电动车、医疗、军事和航天科技等众多领域的广泛使用，对于研发高效清洁、安全的储能设备显得尤为重要，二次锂离子电池由于其能量密度高、自放电率小、循环寿命长、无记忆效应和绿色环保等突出优势，是目前综合性能最为优良的二次电池，也是改善温室效应的关键储能设备。

锂离子电池作为具有代表性的二次电池，它是指以锂离子嵌入化合物为正、负极材料的电池的总称。其工作原理是在电池充电过程中，锂离子在正负极材料之间往返嵌入-脱出，被形象地称为“摇椅式电池”。正极材料是锂离子电池组成部分中最关键的部分，其成本占整个电池的一半以上。LiCoO₂虽然作为最早实现商业化的锂离子电池正极材料，但是原料钴的价格十分昂贵，而且存在环境污染问题，且仅适用于小型3C电子产品，大规模的使用受到限制。而LiNiO₂、LiMnO₂和Li_xMn₂O₄的循环性能差，LiFePO₄虽然有许多优点，但却存在两个致命的缺点：低的电导率和低的振实密度。因此，正极材料的发展是制约锂离子电池能量密度进一步提升的关键。

锂离子电池最早是采用金属Li作为负极材料，但是在长期充放电过程中，金属锂表面易粉化和产生枝晶，造成金属锂负极的容量衰减和安全问题，所以限制了在实际二次锂电池中得到广泛应用。目前，商业化锂离子电池负极材料一般采用石墨类碳材料，石墨材料导电性好，良好的层状材料适合锂离子电池的嵌入/脱出，充放电平台稳定，但其大倍率性能差。

双离子电池是提出的一种新的设计理念，它是基于双离子同时的能量储存，在电池的两极上是两种不同离子的嵌入脱出反应，这种设计克服了单离子电池各自的缺点，发挥了协同作用。比如说双石墨电池、双石墨电池的正极以及负极均为石墨材料，利用石墨自身的氧化还原性，充电过程中电解质阴离子PF₆^-，BF₄^-等嵌入正极石墨材料中，阳离子嵌入负极石墨材料中；放电过程中电解质离子Li⁺、PF₆^-、BF₄^-等又重新返回到电解液当中，该双石墨电池表现出价格低廉、绿色，倍率性能和库伦效率良好等优点。

发明人经研究发现，一般负极材料在电池中发生嵌入脱出反应、合金化与去合金反应或转化反应。现有的双离子电池用石墨作为负极材料，充放电过程中发生是嵌入/脱出反应，此外，原有双石墨电池负极易产生锂枝晶而引起安全隐患问题，本发明选用和制备对锂离子具有活性的材料，其电压平台略高于石墨类材料，可提升电池的安全性。由于石墨材料作为正极材料，阴离子在石墨中的嵌入电位比较高，充电电压达到5V，这就对电解液的要求很高。双离子电池的电解液所具有的特点是电化学窗口宽、高电压稳定性好，在负极材料表面形成稳定的SEI膜，增加电池的稳定性。部分研究用离子液体作为电解液，其粘度大、电导率低、在电极表面浸润性差，因此倍率性能和循环稳定性差，同时其价格昂贵，因此，用离子液体作为电解液很难在实际体系中应用。

发明内容