一种水系钛酸锂电池及其制备方法与流程

本发明属于离子电池及电解液技术领域。具体涉及到一种水系钛酸锂电池及其制备方法。

技术背景

目前，锂离子电池使用易燃易爆的有机溶剂作为电解液溶剂。有机电解液安全隐患非常大。如何解决锂离子电池的安全问题，近年来受到了极大的关注。而解决锂离子电池安全问题的一个方法，是采用水系电解液。

水系电解液与有机电解液相比，具有价格低廉、环保、不存在有机电解液易燃易爆炸等安全问题。但是水系电解液有个明显的缺点，那就是低工作电压。因为水的热力学稳定电位仅为1.23v左右。相较于有机电解液，水在较低的电压下就发生水解。因此，提升水系离子电池电解液中水溶剂的水解电压成为了实现高性能水系电化学电容器的关键。

钛酸锂锂离子电池，负极采用钛酸锂。由于钛酸锂的工作电位比较低(1.55vvs.li)，而水的分解电位比较高(2.2vvs.li)，水系电解液很难用于钛酸锂电池。由于水系电解液很难达到钛酸锂的反应电位。

钛酸锂电池的另外一个存在的问题是，由于钛酸锂电池的电解液容易被分解，导致电池容易鼓包并影响其使用性能。如何解决钛酸锂电池鼓包的问题，是影响钛酸锂电池应用的主要问题之一。

相较于传统的钛酸锂电池，由于电池对环境要求高，特别是对水份敏感，电池的报废处理或者回收再利用是个难题，容易造成资源浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是针对钛酸锂电池存在的问题,提出解决方案。

针对有机电解液易燃易爆的问题，我们采用水系电解液来替代易燃易爆的有机电解液，从而进一步提高锂电池的安全性能。

一种水系钛酸锂电池，其特征在于所述锂电池包括正极、负极、隔纸、导电剂、电解液、电解质、集流体；以无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，电解液是以固体聚乙二醇与水为溶剂，电解质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂；固体聚乙二醇与水质量比为8:2-9:1，电解质浓度为5-11mol/kg，锂离子与水的摩尔比降低到1:1以下。

进一步地，所述电解质为单一的锂盐，或者是多种锂盐的混合。

进一步地，所述钛酸锂电极采用导电剂为乙炔黑或铝粉或铝丝作为导电剂，乙炔黑和铝的质量比为0-1。

进一步地，所述集流体为具有孔隙状的集流体，包括多孔碳布，多孔铝箔。

如上所述一种水系钛酸锂电池的制备方法，其特征在于所述锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，压实、烘干；钛酸锂电极制备，钛酸锂：乙炔黑或\和铝粉：粘接剂按8：1：1(乙炔黑或\和铝粉的质量比为0-1)分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实烘干；烘干温度75-85摄氏度。

进一步地，钛酸锂电池封装采用带放气阀的封装，或者是有通孔的包装；电解液分解产生的气体通过孔隙释放出来。

进一步地，所述钛酸锂电池，在外包装涂有疏水涂层，所述疏水涂层为石蜡或超疏水纳米材料。

由于水的分解电压比较低，当在电极施加电压时(达到水分解电压)水分子与电极接触或者在水溶剂与电极接触界面发生水解反应。在电解液中，水可以大致分为自由水和结合水，自由水的水解电压比较低(1.23v),而结合水的水解电压比较高(能够达到甚至超过3v)。所以，降低水系电解液中自由水的含量，可以有效地抑制水系电解液的分解。

本发明主要通过以下方法来共同降低电解液中自由水分子的含量，从而提高电解液的工作电压，使得本发明的电解液能够达到钛酸锂负极的工作电位。

本发明利用的大分子量的固体聚乙二醇与水混溶，由于聚乙二醇能够和水产生氢键，可以有效地减少自由水。另一方面，通过高浓度电解质，利用阳离子与水之间的强烈吸附作用，进一步减少电解液中的自由水，从而大大提高本发明水系电解液的工作电压。本发明的溶剂为固体聚乙二醇与水，质量比为8:2-9:1，电解质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂等具有高溶解度的锂盐。电解质可以是单一的锂盐，也可以是多种锂盐的混合，电解质浓度为5-11mol/kg。通过高浓度锂盐，将锂离子与水的摩尔比降低到1:1及以下，从而使电解液获得宽的工作电位。

本发明钛酸锂电极采用导电剂为乙炔黑和铝粉或铝丝作为导电剂，可以单独作为导电剂，也可以混合使用。乙炔黑和铝的质量比可以是0至1。由于铝在水系电解质中具有更好的稳定性，本发明采用铝粉或铝丝作为导电剂，相比纯乙炔黑，可以更好地抑制电解液的分解，具有更高的库伦效率。

针对钛酸锂电池鼓包的问题，我们通过及时排出电解液分解产生气体的方式来解决鼓包的问题。我们通过使用具有孔隙状的集流体，如多孔碳布，多孔铝箔等。电解液分解产生的气体通过孔隙释放出来。由于本发明的电解液为胶水状，固体聚乙二醇具有很好的保湿性，可以比较好维持电解液中水的浓度，通过本发明方法制作的钛酸锂电池甚至可以在无封装状态下工作，具有非常好的稳定性。

基于本发明的电解液有上述特点，不同于常规电池的封装，本发明通过具有透气功能的封装，来排出电解液分解产生的气体。本发明的钛酸锂电池封装可以是带放气阀的封装，也可以是有通孔的包装，这样将有利于气体的及时排出，防止出现电池包鼓包。

针对本发明采用通孔式包装，为了防止由于潮湿空气，导致电池包吸水而改变电解液中水的含量，导致电池性能下降。本发明的钛酸锂电池，在外包装涂有疏水涂层，可以是石蜡或超疏水纳米材料，可以减少吸附空气中的水份，抑制电池吸附空气中的水份，保证电解液中水的浓度。

相较于传统的钛酸锂电池，由于电池对环境要求高，特别是对水份敏感，电池的回收再利用是个难题。由于本发明钛酸锂电池的开放式封装及电解液良好的环境适应能力，电池能够方便进行回收再利用。

在钛酸锂电池方面，本发明的优势有以下几方面：

1本发明采用的方法简单，具有普遍性，可以改善锂离子电池的安全性能。

2本发明涉及到的离子电池，由于电解液具有良好的环境适应能力，与常规离子电池相比，制备环境要求非常低，可以大大减少生产制备条件方面的投入。

3本发明采用金属铝作为导电剂，与水系电解液配合，具有更好的，金属铝价格低廉，使用成本低。

4由于本发明钛酸锂电池的开放式封装及电解液良好的环境适应能力，电池能够方便进行回收再利用。

附图说明

图1为本发明水系钛酸锂电池结构示意图，

图2为实施例1钛酸锂电池的充放电曲线。

具体实施方式

实施例1

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇2000为增溶剂，水为溶剂，配制成5mol/kg的电解液，聚乙二醇2000和水的质量比为9:1。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。

实施例2

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔碳布上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇2000为增溶剂，水为溶剂，配制成5mol/kg的电解液，聚乙二醇2000和水的质量比为9:1。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。

实施例3

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇2000为增溶剂，水为溶剂，配制成11mol/kg的电解液，聚乙二醇2000和水的质量比为8:2。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。

实施例4

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔碳布上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇6000为增溶剂，水为溶剂，配制成5.5mol/kg的电解液，聚乙二醇6000和水的质量比为8:2。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。

实施例5

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：铝粉：乙炔黑：粘接剂按8：0.8:0.2：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇2000为增溶剂，水为溶剂，配制成5.5mol/kg的电解液，聚乙二醇2000和水的质量比为9:1。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。

实施例6

锰酸锂电极制备，锰酸锂：乙炔黑：粘接剂按8：1：1分散制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，压实，80摄氏度烘干。钛酸锂电极制备，钛酸锂：铝粉：粘接剂按8：1：1分散均匀制浆，然后涂覆在多孔铝箔上，5-10mpa压实，80摄氏度烘干。电解液配制,双三氟甲烷磺酰亚胺锂为电解质，聚乙二醇2000为增溶剂，水为溶剂，配制成5.5mol/kg的电解液，聚乙二醇2000和水的质量比为9:1。无纺布为隔纸，锰酸锂作为正极，钛酸锂作为负极，涂覆上本发明所述的胶水状电解液，用带孔铝塑膜封装，表面喷涂疏水材料。