[发明专利]一种全钒水溶液锂离子电池

说明书

本发明涉及一种全钒水溶液锂离子电池，属于化学电源领域。所述锂离子电池正负极活性物质均为固态钒基嵌锂材料，其中正极材料是具有较高电极电势的富锂态钒基磷酸盐，负极材料是具有较低电极电势的贫锂态钒氧化物，电解液为锂盐水溶液。该电池工作时，锂离子在正负极晶格中可逆嵌入脱出，实现能量的存储和转换。相比于传统的全钒液流电池，本发明提出的电池体系具有更高的能量密度，功率性能，及循环寿命，且能在更宽的温度范围内工作，因此在大规模储能领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种全钒水溶液锂离子电池，属于化学电源领域。

背景技术

大规模储能是有效利用自然能源、构建全球能源互联网的技术基础。其中，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、高工作电压、无记忆效应等一系列优点，被认为是最有发展前景的电化学储能系统。但是锂离子电池由于装配条件苛刻，生产成本较高；电解液是有机易燃组分，存在潜在的安全性问题，这都限制了锂离子电池的快速发展。如果将有机电解液替换成水溶液，从根本上解决了锂离子电池的安全性问题，而且不需要严格的装配环境，也大大降低了生产成本，更加符合大规模储能的应用需求。但由于受水溶液的电化学窗口及材料的选择限制，目前商业化的水溶液电池能量密度低，难以满足日益增长的能量需求；且水溶液热稳定温度范围不宽，难以应用于广泛环境温度下。全钒液流电池由于充放电可逆性高、循环寿命长、能量转换效率高、正负极电解质无交叉污染和容易规模化等优点被认为是很有应用价值的水溶液电池。但全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，由于钒活性物质在溶液中的溶解度是一定的，使得其体积能量密度和质量能量密度都较低；且钒活性物质在低温下的溶解度更低和高温下会有五氧化二钒的沉积析出，使得其工作温度范围为10～40℃。如果将液态储能的全钒液流电池替换成固态储能的全钒水溶液锂离子电池，其体积能量密度和质量能量密度都将大幅度增加；同时采用高浓度的锂盐溶液，可以使其在更宽的温度范围工作。因此，开发性能优异、价格低廉、安全性高的全钒水溶液锂离子电池，对于清洁能源的高效利用和新型能源社会的顺利构建，意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种全钒水溶液锂离子电池，以解决现有水溶液电池能量密度低及不能用于广泛环境温度下的问题。

本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：

一种全钒水溶液锂离子电池，包括正极、负极和电解液，所述正极采用具有较高电极电势的富锂态钒基磷酸盐作为正极活性物质，所述负极采用具有较低电极电势的贫锂态钒氧化物作为负极活性物质，所述电解液采用高浓度锂盐水溶液。

优选地，所述正极组成包括：将正极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，然后粘接于集流体上；所述负极组成包括：将负极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀，然后粘接于集流体上。

优选地，所述正极活性物质是磷酸钒锂(Li₃V₂(PO₄)₃)、磷酸氧钒锂(LiVOPO₄)和氟代磷酸钒锂(LiVPO₄F)中的一种或多种。

优选地，所述负极活性物质是二氧化钒(VO₂)、钒酸锂(LiV₃O₈)和五氧化二钒(V₂O₅)中的一种或多种。

优选地，所述电解液中锂盐与水的物质的量之比为：(0.1～0.55)：1。

优选地，所述锂盐为双三氟甲基磺酸亚胺锂(LiTFSI)，三氟甲基磺酸锂(LiOTF)，双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)，高氯酸锂(LiClO₄)中的一种或多种。

优选地，所述导电剂是科琴黑、乙炔黑、微晶石墨和导电炭黑中一种或多种。

优选地，所述集流体是钛网、镍泡沫、铝网、铜网、铝箔、铜箔和钛箔中的一种。