一种用于锂碘电池的正极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种用于锂碘电池的正极材料。具体地，本发明专利技术提供了一种可作为锂‑碘电池正极活性物质的复合材料，所述的复合材料包括聚合物高分子和活性物质碘，且所述的聚合物高分子与活性物质碘之间具有化学键、氢键、范德华力中的一种或者多种作用力。将上述复合材料作为活性物质用于制备正极材料，并应用于锂‑碘电池时，可表现出较高的库伦效率、优越的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂碘电池的正极材料
本专利技术涉及一种正极活性材料的应用
，具体涉及一种用于锂碘电池的正极材料，是基于聚合物高分子/碘复合材料作为正极应用于锂电池中。
技术介绍
自上世纪90年代钴酸锂电池体系被开发出以来，锂电池得到了飞速发展。目前，其被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、无人飞机等领域。但是，随着社会的不断进步和科技的不断发展，人们对储能设备的需求也不断提高。作为一种潜在的锂电池正极材料，碘单质在自然界中储量相对丰富，成本较低(每升海水中含碘量为50-60μg)，能够满足人们对可持续储能的需求。此外，以碘单质作为正极活性材料的锂-碘电池具有较高的比容量(1040mAh/cm-3)。尽管锂-碘电池相对于传统的锂离子电池具有以上优点，但是，目前锂-碘电池仍然面临着一系列问题，比如单质碘在充放电过程中产生聚碘阴离子，其溶解到电解液中产生“穿梭效应”，造成锂-碘电池循环性能较差、库伦效率较低。此外，单质碘极易挥发，增加了其作为锂电池正极活性材料的难度。
技术实现思路
本专利技术提供一种能够用于锂-碘电池的正极活性材料，其能够有效克服碘单质作为锂电池正极材料的各种缺点，从而有效提高锂-碘电池的电化学性能。在本专利技术的第一方面，提供了一种复合材料，所述复合材料包括聚合物高分子和活性物质碘，且聚合物高分子与活性物质碘之间具有化学键、氢键、范德华力中的一种或者多种作用力。在一优选例中，所述的复合材料中聚合物高分子为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩类、聚乙烯(PE)中的一种或多种。在另一优选例中，所述的复合材料中活性物质碘为碘单质、聚碘阴离子、碘离子、碘化锂、或其他经过电化学氧化还原能够产生碘单质的物质、或上述多种的组合。在另一优选例中，以所述复合材料的总重量计所述复合材料中活性物质碘的质量百分比为10-90％，优选为30-70％，更优选为40-60％；且所述聚合物高分子的质量百分比为10-90％，优选为30-70％，更优选为40-60％。本专利技术的第二方面，提供了一种电池用正极材料，所述正极材料包括本专利技术第一方面所述的复合材料。在一优选例中，所述的正极材料还包括导电剂和/或粘结剂。在另一优选例中，所述正极材料中导电剂为乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳布中的一种或多种。在另一优选例中，所述的粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)或上述任意几种的组合。在另一优选例中，以所述正极材料的总重量计，所述复合材料的重量百分比为50％-100％，所述的粘结剂的重量百分比为0-20％，优选为5-20％。。在另一优选例中，正极材料中，以正极材料的总重量计，所述复合材料、导电剂、粘结剂三者的质量百分比之比为(60±5)：(25±5)：(15±5)。本专利技术的第三方面，提供了一种电池，所述电池包括本专利技术第二方面所述的正极材料，所述的电池为锂电池或锂-碘电池。在一优选例中，所述电池包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜，且所述的正极材料包括本专利技术所述的复合材料。在另一优选例中，所述的电池包括外壳，且所述的外壳为金属材料和/或复合材料。在另一优选例中，所述的电池为无水电池。在另一优选例中，所述的负极材料为金属锂或者其他含有锂的合金负极。在另一优选例中，所述的隔膜选自：陶瓷多孔膜、合成树脂制备的多孔膜、玻璃纤维隔膜。在另一优选例中，所述的电解液包含一种或多种电解质锂盐；所述的电解质锂盐为高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、三氟甲磺酸锂(LITFS)、或双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)，更优选为双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)。在充电过程中，所述的电解质盐的正离子能够穿过电解液，从正极材料到达负极材料。在放电过程中，所述的电解质盐的正离子能够穿过电解液，从负极材料到达正极材料。在另一优选例中，所述的电解液包含一种或多种有机溶剂；所述的有机溶剂包括碳酸酯类溶剂或有机醚类溶剂中的一种或几种；较佳地，所述的有机溶剂为有机醚类溶剂，如1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)。在另一优选例中，所述的电解液还包括添加剂，所述添加剂为硝酸锂。本专利技术中将聚合物高分子和碘复合形成复合材料，聚合物和碘之间形成一定的作用力，使碘的物理特性发生改变。如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)经过与碘复合，得到聚维酮碘(PVP-I2)，由于PVP与碘之间具有氢键作用，增加了碘的饱和蒸气压，改善了碘单质极易挥发的特性。此外，聚合物和碘之间形成的作用力能够有效束缚碘，减小易溶解碘的溶液对碘的溶解性。当应用于锂电池中时，这种作用力可将聚碘阴离子束缚在正极区域，从而抑制其向负极锂片表面扩散，进而减缓电池的穿梭效应。而且，聚合物经过碘掺杂后，其高分子材料的一些性能会发生改变。如聚乙烯(PE)和聚苯胺经过碘掺杂后，其导电性能均有所提升，这为其直接作为锂-碘电池正极材料提供了可能性。基于以上优点，将聚合物-碘复合材料作为锂电池正极材料，可以改善碘正极循环性差，库伦效率低，易挥发，导电性能差等一系列缺点。应理解，在本专利技术范围内，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1显示了本专利技术实施例1中所用的聚合物-碘(PVP-I2)的扫描电子显微图像；图2显示了本专利技术实施例1中所用的正极材料的扫描电子显微图像；图3显示了采用本专利技术实施例1中所述的正极材料组装电池后在0.2C(42.2mAg-1)时第二周充放电容量-电压图。图4显示了采用本专利技术实施例1中所述的正极材料组装电池后在0.5C(105.5mAg-1)的充放电循环图；图5显示了本专利技术实施例2中所用的正极材料的扫描电子显微图像；图6显示了采用本专利技术实施例2中所述的正极材料组装电池后在0.5C(105.5mAg-1)的充放电循环图；具体实施方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，经过大量试验发现，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩类、聚乙烯(PE)等聚合物高分子与活性物质碘形成的复合物用于电池正极材料时，能够很好地束缚活性物质碘在充放电过程中产生的聚碘阴离子，抑制活性物质碘的团聚。聚合物高分子与活性物质碘之间的相互作用力在一定程度上以化学方式吸附聚碘阴离子，防止其向电解液中扩散。此外，聚合物高分子对活性物质碘的物理包覆作用也能够在一定程度上抑制聚碘阴离子的扩散。同时，聚合物高分子/活性物质碘复合材料较单质碘更加稳定，不易挥发。该方法克服了现有技术中碘单质作为电池正极材料易产生“穿梭效应”、单质碘易挥发的缺点。在此基础上完成了本专利技术。聚合物高分子材料本专利技术中，聚合物高分子材料包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩类、聚乙烯(PE)等。其能够与碘之间通过相互作用力起到固碘的作用。聚合物高分子在与活性物质碘形成复合物时，对活性物质碘形成包覆，对束缚聚碘阴离子具有积极作用。此外，部分聚合物高分子如聚苯胺(PANI)、聚乙烯(PE)经过碘掺杂后导电性明显提高，这将有利于其作为正极材料电化学性能的提高。活性物质碘本专利技术中，优选地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料，其特征在于：该材料包括聚合物高分子和活性物质碘，且所述的聚合物高分子与活性物质碘之间具有化学键、氢键、范德华力中的一种或者多种作用力。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于：该材料包括聚合物高分子和活性物质碘，且所述的聚合物高分子与活性物质碘之间具有化学键、氢键、范德华力中的一种或者多种作用力。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的聚合物高分子为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩类、聚乙烯(PE)、或上述任意几种的组合。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的活性物质碘为碘单质、聚碘阴离子、碘离子、碘化锂、或经过电化学氧化还原能够产生碘单质的物质、或上述任意几种的组合。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，以所述复合材料的总重量计，所述的活性物质碘的质量百分比为10-90％，优选为40-60％；且所述聚合物高分子的质量百分比为10-90％，优选为40-60％。5.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：田华军，孟振，韩伟强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33