本申请公开了一种水系离子电池，包括：电解液，所述电解液为含有电解质的水溶液；负极，所述负极含有负极活性物质；所述负极活性物质包括含有萘环的聚酰亚胺；和正极，所述正极含有正极活性物质；所述正极活性物质包括锰酸锂。解决了由于现有负极材料与正极锰酸锂材料存在着匹配性差(如正、负极电极材料的质量配比、电极制备的工艺参数以及电位电压窗口等)，电池的循环寿命低、比容量低的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种水系离子电池及其应用
本申请涉及一种水系离子电池，属于电池领域。
技术介绍
水系锂离子电池是以水为基础的电池体系。尽管水系电池的能量密度低于传统有机系锂离子电池，但可接近现有水系二次电池(如铅酸、镉镍电池)，同时具有高度安全、对环境友好、低成本等优势，因而逐渐受到重视，非常适合大规模储能市场。在系统层面，水系电解液完全不起火不爆炸，无需复杂的电池管理系统和热管理系统，可进一步节省成本。目前商业化使用的储能电池主要是铅酸电池和磷酸铁锂或三元动力电池。其中，铅酸电池寿命短，高污染。其负极使用金属铅(Pb)，反应过程中生成硫酸铅(PbSO4)钝化层导致容量衰减，循环寿命只有300圈。磷酸铁锂或三元动力电池均使用有机电解液，易燃爆炸安全性低。同时，因其使用镍钴锰铁等金属，成本上不具有优势。这几种电池均满足不了储能领域特殊的需求(如高度安全、超长循环寿命、低成本等)。但是，目前已开发的水系二次电池也存在诸多问题。如循环寿命较低，材料难以放大，同时不能实现大规模应用等问题。水系锂离子电池循环寿命低的主要瓶颈在于负极材料。到目前为止，国内外已经研发了磷酸钛锂负极材料用于水系锂离子电池，但这种材料在水溶液中，放电时会发生析氢副反应，因而电池循环寿命低。同时该材料的容量较低。也有科研团队开发水系钠离子电池，使用磷酸钛钠和普鲁士蓝作为负极，但是同样地，负极的电化学容量太低。针对上述问题，本申请提供了一种新的水系离子电池。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种水系离子电池，解决了现有负极电极材料(如磷酸钛锂等)在水系电解液中稳定性差，放电时会发生析氢副反应，导致水系锂离子电池的循环寿命低，比容量低的问题；现有负极电极材料的电极制备以及电池组装的工艺复杂，对操作车间的条件要求高，材料制备成本高，导致整个电池生产制造的成本增加；以及现有负极材料与正极锰酸锂材料存在着匹配性差(如正、负极电极材料的质量配比、电极制备的工艺参数以及电位电压窗口等)的问题，导致电池的循环寿命低，比容量低。所述水系离子电池，其特征在于，包括：电解液，所述电解液为含有电解质的水溶液；负极，所述负极含有负极活性物质；所述负极活性物质包括含有萘环的聚酰亚胺；和正极，所述正极含有正极活性物质；所述正极活性物质包括锰酸锂。可选地，所述正极活性物质与负极活性物质的质量比为2～5；其中，正极活性物质的质量以其含有的含有萘环的聚酰亚胺的质量计，负极活性物质的质量以其含有的锰酸锂的质量计。可选地，所述含有萘环的聚酰亚胺的化学式如式I所示：其中，n＝1000～10000。可选地，所述电解质选自硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、碳酸锂中的至少一种。可选地，所述电解液中电解质的浓度为1.5M～2.5M。可选地，所述水系离子电池还包括隔膜，所述隔膜将所述正极和所述负极分隔开，并通过电解质离子。可选地，所述隔膜选自玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜、无纺布中的至少一种。可选地，所述负极的制备方法包括以下步骤：将含有负极活性物质、导电剂、粘结剂的原料，与溶剂混合，得到浆料，将所述浆料涂覆到集流体上，干燥，得到所述负极。可选地，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为5.5～9.5：0.25～3：0.25～1.25。可选地，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为6：3：1。可选地，所述溶剂选自乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚四氟乙烯、丁苯橡胶中的至少一种；所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、超导炭黑、碳纤维、导电石墨中的至少一种；所述集流体选自不锈钢片、不锈钢网、不锈钢箔中的至少一种。可选地，所述负极活性物质在所述集流体的面密度为1～3mg/cm2。可选地，所述正极的制备方法包括以下步骤：将含有正极活性物质、导电剂、粘结剂的原料，与溶剂混合，得到浆料，将所述浆料涂覆到集流体上，干燥，得到所述正极。可选地，所述正极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为7.5～9.5：0.25～2.25：0.25～2.25。可选地，所述正极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为8：1：1。可选地，所述溶剂选自乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚四氟乙烯、丁苯橡胶中的至少一种；所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、超导炭黑、碳纤维、导电石墨中的至少一种；所述集流体选自不锈钢片、不锈钢网、不锈钢箔中的至少一种。可选地，所述正极活性物质在所述集流体的面密度为5～8mg/cm2。可选地，所述负极活性物质的制备方法包括以下步骤：将含有1,4,5,8-萘四甲酸酐和乙二胺的溶液，在非活性气氛下，在120～180℃下反应4～18小时，经分离、洗涤干燥后，得到干粉；将所述干粉在非活性气氛下烧结，得到所述负极活性物质；所述非活性气氛选自氮气、氦气、氩气中的至少一种。可选地，所述含有1,4,5,8-萘四甲酸酐和乙二胺的溶液的溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N-二甲基甲酰胺中的至少一种。可选地，1,4,5,8-萘四甲酸酐和乙二胺的摩尔比为1：1～2。可选地，所述烧结的温度为300～350℃。可选地，所述烧结的时间为6～8小时。具体地，所述负极活性物质的制备方法包括以下步骤：步骤A：在N-二甲基甲酰胺(DMF)的溶液中按照摩尔比1：1加入1,4,5,8-萘四甲酸酐粉末与乙二胺溶液，保持磁力搅拌。反应容器为玻璃烧瓶。对烧瓶进行氩气保护。将烧瓶转移到50℃油浴中，并逐步升温至150℃。在该温度下保持反应4到18小时。步骤B：将生成物收集，离心，去除上清液。对于下方离心沉淀物用N-二甲基甲酰胺稀释清洗，进行第二次离心。再用乙醇进行清洗离心。最终物质在真空烘箱中烘干，得到干粉。步骤C：将上述干粉在管式炉中进行烧结，氩气气氛保护。烧结时间为3小时。具体地，所述水系离子电池包括：电解液，1.5～2.5M硫酸锂(Li2SO4)水溶液；隔膜，玻璃纤维滤纸(孔隙率小于1微米，厚度260微米左右)；负极，含有萘环的聚酰亚胺电极；和正极，锰酸锂电极。具体地，所述负极包括：负极活性物质，含有萘环的聚酰亚胺有机材料；导电剂，导电炭黑(SuperPcarbon)；粘结剂，聚四氟乙烯(PTFE)乳液；和集流体，不锈钢网。具体地，所述负极的制备方法包括以下步骤：将负极活性物质、导电炭黑、粘结剂按照质量比例为6:3:1，在乙醇溶液中混合搅拌形成泥浆状，涂覆到不锈钢网上，然后真空烘干。电极面积约为1.5cm2，活性物质的面密度约为1～3mg·cm-2。具体地，所述正极包括：正极活性物质，锰酸锂(LiMn2O4，粒径分布为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水系离子电池，其特征在于，包括：/n电解液，所述电解液为含有电解质的水溶液；/n负极，所述负极含有负极活性物质；所述负极活性物质包括含有萘环的聚酰亚胺；和/n正极，所述正极含有正极活性物质；所述正极活性物质包括锰酸锂。/n
【技术特征摘要】
1.一种水系离子电池，其特征在于，包括：
电解液，所述电解液为含有电解质的水溶液；
负极，所述负极含有负极活性物质；所述负极活性物质包括含有萘环的聚酰亚胺；和
正极，所述正极含有正极活性物质；所述正极活性物质包括锰酸锂。
2.根据权利要求1所述的水系离子电池，其特征在于，所述正极活性物质与负极活性物质的质量比为2～5；
其中，正极活性物质的质量以其含有的含有萘环的聚酰亚胺的质量计，负极活性物质的质量以其含有的锰酸锂的质量计；
优选地，所述含有萘环的聚酰亚胺的化学式如式I所示：
其中，n＝1000～10000；
优选地，所述电解质选自硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、碳酸锂中的至少一种；
优选地，所述电解液中电解质的浓度为1.5M～2.5M；
优选地，所述水系离子电池还包括隔膜，所述隔膜将所述正极和所述负极分隔开，并通过电解质离子；
优选地，所述隔膜选自玻璃纤维滤纸、吸附式玻璃纤维膜、无纺布中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的水系离子电池，其特征在于，所述负极的制备方法包括以下步骤：
将含有负极活性物质、导电剂、粘结剂的原料，与溶剂混合，得到浆料，将所述浆料涂覆到集流体上，干燥，得到所述负极；
优选地，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为5.5～9.5：0.25～3：0.25～1.25；
优选地，所述溶剂选自乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N-二甲基甲酰胺中的至少一种；
所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚四氟乙烯、丁苯橡胶中的至少一种；
所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、超导炭黑、碳纤维、导电石墨中的至少一种；
所述集流体选自不锈钢片、不锈钢网、不...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，李忆非，
申请(专利权)人：宁波锋成先进能源材料研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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