一種水系離子交換電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子交換電池，屬于二次電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實施，新能源的開發(fā)與利用顯得尤為重要?；瘜W(xué)電池在新能源的存儲和轉(zhuǎn)化中起到了非常關(guān)鍵的作用。雖然傳統(tǒng)的鋰離子電池具有能量密度高，但有機電解液的安全性差，成本高，在大規(guī)模儲能設(shè)備應(yīng)用上受限制。
[0003]本發(fā)明開發(fā)了一種交換離子水系電池系統(tǒng)，該電池的原理:在充放電過程中，一種金屬離子從正極材料中脫出/嵌入，另外一種金屬離子從負(fù)極材料中嵌入/脫出。電解液是由上述兩種金屬離子組成的混合水系電解液。
[0004]現(xiàn)代社會對電子產(chǎn)品的需求更大，而作為主要電源的鋰電儲能系統(tǒng)消耗大量的鋰源儲備，鋰在地球的儲量有限，而且價格昂貴。那么需要開發(fā)其他的儲能系統(tǒng)，來減少對鋰源的依賴。鈉是地殼中儲量豐富的幾種元素之一，與鋰的化學(xué)性質(zhì)相似?？梢院芎玫膬Υ骐娮樱型驿囎鳛閮δ懿牧?。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低的水系離子交換電池。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案為:一種水系離子交換電池，由正極膜、負(fù)極膜、隔膜、電解液組成，所述的負(fù)極膜包括負(fù)極活性材料、導(dǎo)電材料、粘接劑，所述的負(fù)極活性材料為NaTi2 (P04) 3，負(fù)極活性材料占總負(fù)極膜質(zhì)量的65 %?85 %。
[0007]所述的負(fù)極膜的負(fù)極活性材料為碳包覆的NaTi2 (P04) 3，負(fù)極活性材料占總負(fù)極膜質(zhì)量的65%?85%。
[0008]所述的正極膜包括正極活性材料、導(dǎo)電材料、粘接劑，所述的正極活性材料為LiMn204,正極活性主體材料占總正極膜質(zhì)量的65%?85%。
[0009]所述的正極活性材料為納米LiMn204。
[0010]所述的電解液為含有鋰離子和鈉離子的硫酸鹽、硝酸鹽、氯鹽類中的一種水溶液，其濃度是0.5mol/L?5mol/L0
[0011]所述的隔膜為采用乙烯基聚合物、再生纖維素、聚烯烴類化合物為主體制備的隔膜，或吸液性的紙基隔膜，或經(jīng)過親水處理的pp隔膜、玻璃纖維隔膜。
[0012]所述的正極膜和負(fù)極膜粘接在集流體上，所述的集流體材料是多孔金屬鎳、鈦、鋁、不銹鋼、網(wǎng)狀碳紙、碳布。
[0013]本發(fā)明的工作原理與現(xiàn)有的“搖椅式”鋰離子電池不同。在充電過程中，鋰離子從正極脫出到電解液中，鈉離子嵌入到負(fù)極中，儲存電子，放電過程中，從正極脫出的鋰離子又嵌入到正極，負(fù)極中嵌入的鈉離子返回到電解液中，釋放出電子。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具體以下的優(yōu)點:
[0015](1)所用電解液為安全無毒廉價的含鈉、鋰的鹽水溶液。避免了傳統(tǒng)有機電解液帶來的易燃易爆，對環(huán)境污染嚴(yán)重問題。實現(xiàn)了綠色環(huán)保安全的目的。
[0016](2)水溶液電解液具有更好的離子電導(dǎo)性，比有機電解的阻抗小，電勢降低小，能在大倍率下充放電，實現(xiàn)快速充電，達(dá)到短時間快速充電的目的。
[0017](3)本電池系統(tǒng)組裝不需要在有機鋰離子電池的無氧無水環(huán)境下進(jìn)行，對設(shè)備要求不高，組裝簡單，生產(chǎn)成本低。
[0018](4)本發(fā)明利用鋰離子在正極含鋰化合物中脫出/嵌入，鈉離子在含鈉化合物中嵌入/脫出。這種鋰/鈉儲能系統(tǒng)就可以減少一半金屬鋰的消耗，因為鈉在地殼中含量豐富且開采技術(shù)成熟，所以降低了原材料成本，是一種可持續(xù)發(fā)展的電池體系。
[0019](5)本發(fā)明提供的水系交換離子電池與鉛酸電池、鎳氫鎳鎘電池比較，具有功率密度大、能量密度高、循環(huán)壽命長、綠色安全等優(yōu)點，是一種新穎的二次電儲能體系。其可以應(yīng)用到大型電網(wǎng)調(diào)峰和新能源儲存上，也可以用于便攜式電源，和電動汽車等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明電池體系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為實施例lLiMn204-NaTi2(P04)3電池系統(tǒng)的充放電曲線圖。
[0022]圖3為實施例2LiMn204_NaTi2(P04)3/C電池系統(tǒng)的充放電曲線圖。
[0023]圖4為實施例3納米LiMn204-NaTi2(P04)3/C電池系統(tǒng)的充放電曲線圖
[0024]圖5為實施例3納米LiMn204-NaTi2(P04)3/C電池系統(tǒng)在不同倍率下的充放電曲線圖。
[0025]圖6為實施例3電池的循環(huán)壽命圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
[0027]本發(fā)明的NaTi2(P04)3及LiMn 204、納米LiMn204均按現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)。
[0028]本發(fā)明的正/負(fù)極的制備過程及LiMn204_NaTi2(P04)3/C電池系統(tǒng)的組裝步驟如下:
[0029](l)LiMn204正極的制備
[0030]以Li2C0#P MnCO 3為原料，采用高溫固相合成的方法制備出納米級的尖晶石型 LiMn204。(參考文南犬 Haisheng Tao, Shuq1ng Zhang, Yingying Cheng, XuemeiZhang, Nanosc1.Nanotechnol.Lett.7, 555-559(2015))
[0031](2)NaTi2(P04)3和 NaTi 2 (P04) 3/C 負(fù)極的制備
[0032]以C4H405Na (酒石酸氫鈉)，Ti02，(NH4) ,04為原料，采用溶膠-凝膠法得到前驅(qū)體，之后通過煅燒制備出NaTi2 (P04)3O
[0033]以C4H405Na (酒石酸氫鈉)，Ti02，(NH4) ,04和(CH 20H) 2為原料，采用溶膠_凝膠法得到前驅(qū)體，之后通過煅燒制備出NaTi2(P04)3/C。(參考CN201410625085.2)
[0034](3) LiMn204-NaTi2 (P04) 3 電池系統(tǒng)的組裝
[0035]正極活性材料采用LiMn204，負(fù)極活性材料采用NaTi2 (P04) 3，將活性材料、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑混合均勻，涂覆在集流體上，烘干后，分別壓制成正極膜和負(fù)極膜。采用玻璃纖維作為隔膜，含有鈉和鋰離子的水溶液作為電解液，組裝成全電池。
[0036]實施例1:
[0037]將活性材料、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑混合均勻，涂覆在集流體上，烘干后，分別壓制成正極膜和負(fù)極膜。采用玻璃纖維作為隔膜，含有鈉和鋰離子的水溶液作為電解液，組裝成全電池。
[0038]正極材料采用市售的LiMn204 (青島新正鋰業(yè)有限公司)，漿料的配比按照LiMn204:導(dǎo)電炭黑:粘結(jié)劑(粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯，簡稱PVDF) =80:10:10的質(zhì)量比充分混合，然后均勻涂覆在碳紙集流體上，烘干后壓制成正極。
[0039]負(fù)極材料采用NaTi2(P04)3，負(fù)極漿料組成為NaTi2(P04)3:導(dǎo)電炭黑:粘結(jié)劑=75:15:10的質(zhì)量比混合，然后均勻