[发明专利]一种水系离子电池用正极材料及水系离子电池

说明书

本发明提供的水系离子电池用正极材料及水系离子电池用正极材料，涉及储能电池技术领域；其中，正极材料为掺杂改性锰酸锂，即通过将金属离子掺杂到尖晶石型锰酸锂的晶格中，并在掺杂后的锰酸锂表面包覆C、MgO、Al₂O₃、ZnO、Co₃O₄、Si中的一种或几种。本发明通过对锰酸锂改性处理，降低采用该正极材料制备的水系离子电池正极和电解液的界面内阻，提高该正极在水系电解液中的结构稳定性，综合提高水系离子电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种水系离子电池用正极材料及水系离子电池。

背景技术

储能技术是实现太阳能、风能等可再生能源发电并网普及应用和智能电网建设所急需的核心技术之一。在现有的各种储能技术中，利用二次电池的电化学储能具有效率高,使用安全等特点，最具应用潜力。目前主要用于储能行业的电池为铅酸电池和锂离子电池，铅酸电池虽然价格低廉、工艺成熟，但由于含有重金属铅，并且需要处理的废水中含有大量的硫酸，对环境有污染。而锂离子电池虽然性能优越，但由于采用了易燃的有机电解质，安全性能较差。因此，急需一种安全环保，且成本较低的电池用于储能场景。

水系离子电池采用了价格低廉的无机盐水溶液作为电解液，而且所有原材料中不含重金属，无污染而且安全，成本与铅酸电池大致相同，非常适用于储能行业。在水系离子电池中，正极材料的选择会影响到水系离子电池的容量、寿命、成本等指标。尖晶石锰酸锂由于其低廉的成本、在水系电解液中稳定的性能和安全性高等特点，成为了水系离子电池的具有发展潜力的正极材料，越来越受到水系离子电池研发者的注目。但是在水系电解液环境下普通的尖晶石锰酸锂的充放电过程中，存在着容量衰减较快的问题，特别是在大倍率充放电和深度充放电的情况下。这主要是正极材料的亲水性影响着它与电解液的界面内阻，从而决定了材料的容量发挥和倍率性能。另外，有研究表明，在电池充放电循环过程中锰酸锂容易发生的John-Teller效应，容易引起锰的歧化反应，导致锰的溶解和锰酸锂结构的垮塌，从而影响到电池的寿命和容量发挥。

发明内容

本发明目的在于提供一种水系离子电池用正极材料及水系离子电池，其中正极材料通过改性处理，提高正极材料在水系电解液中的结构稳定性，降低水系离子电池使用时正极和电解液的界面内阻，提高水系离子电池的循环寿命。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种水系离子电池用正极材料，该正极材料为掺杂改性锰酸锂，掺杂改性锰酸锂为尖晶石型锰酸锂的晶格中掺杂有钴离子、镍离子、铜离子、锌离子、锂离子、硼离子、镁离子、铝离子、钛离子、铬离子中的一种或几种。

进一步的，所述掺杂改性锰酸锂表面包覆有化合物碳、硅、氧化镁、三氧化二铝、氧化锌、四氧化三钴中的一种或几种。

进一步的，所述正极材料具有颗粒状微观结构，粒径为2.5μm～50μm，振实密度不小于1.8g/cm³，比表面积为0.4～0.8m²/g。

本发明还公开了一种水系离子电池，包括外壳、封装于外壳内的电芯、填充于外壳和电芯之间的电解液，所述电芯包括正极、负极以及设置于正极和负极之间的隔膜；其中，正极的活性物质为上述的掺杂改性锰酸锂，负极的活性物质为铝及其氧化物、锌及其氧化物、镁及其氧化物、钙及其氧化物中一种或几种；电解液为溶解有锂盐、铝盐、锌盐、镁盐、钙盐中一种或几种的水基溶液。

进一步的，所述正极包括正极集流体和涂覆在正极集流体表面的正极膜；所述正极膜按重量份计，由以下原料组成：80～98.5份的正极材料，1～10份的导电炭黑，0.5～10份的聚酯类胶黏剂。

进一步的，所述负极包括负极集流体和涂覆在负极集流体表面的负极膜；所述负极膜按重量份计，由以下原料组成：70～97.5份的负极的活性物质，1～10份的导电炭黑，1～10份的活性炭，0.5～10份的聚酯类胶黏剂。