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    重庆时时彩什么休市: 一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池.pdf

    关 键 词:
    一种 基于 氧化物 负极 材料 水系 钠离子 电容 电池
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610938549.4

    申请日:

    2016.10.25

    公开号:

    CN106384674A

    公开日:

    2017.02.08

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):H01G 11/06申请日:20161025|||公开
    IPC分类号: H01G11/06(2013.01)I; H01G11/84(2013.01)I; H01G11/46(2013.01)I; H01G11/58(2013.01)I; H01G11/62(2013.01)I 主分类号: H01G11/06
    申请人: 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司
    发明人: 李风浪; 李舒歆
    地址: 523000 广东省东莞市松山湖高新技术产业工发区生产力大厦406
    优先权:
    专利代理机构: 北京众合诚成知识产权代理有限公司 11246 代理人: 连平
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610938549.4

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.03.08|||2017.02.08

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,该基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池包括正极、负极、隔膜和电解液,正极包括钠锰氧化物、导电剂和粘结剂,负极包括钛磷氧化物、导电剂和粘结剂,电解液为含钠离子的无机盐水溶溶液,钠锰氧化物和钛磷氧化物使将原料混合后,经研磨、压片、煅烧后得到。本发明基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池比铅酸电池具有更高的能量效率、功率密度、循环寿命和活性物质利用率等,且比镉镍电池和氢镍电池成本低,安全环保。本发明的制备过程简单,可直接在空气中操作,对环境要求低,材料来源广泛,成本低廉,适合于工业化大规模生产。

    权利要求书

    1.一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其特征在于:所述基于
    钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池包括正极、负极、隔膜和电解液,所述正极
    包括钠锰氧化物、导电剂和粘结剂,所述负极包括钛磷氧化物、导电剂和粘结剂,所述钠锰
    氧化物为Na0.44MnO2或者Na0.44Mn1-yMyO2,0≤y≤0.1,所述M为Al、Li、Fe、Co、Ni、Cu中的一种或
    者两种,所述钛磷氧化物为(TiO)aPbOc,c=a+2.5b,0≤a≤3,0≤b≤3,0≤c≤12,所述导电
    剂为多孔活性炭、介孔碳、炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维或者膨胀石墨中的一
    种。
    2.根据权利要求1所述的一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,
    其特征在于:所述导电剂还可以为导电聚合物。
    3.根据权利要求1所述的一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,
    其特征在于:所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素
    基钠中的一种。
    4.根据权利要求1所述的一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,
    其特征在于:所述电解液为含钠离子的无机盐水溶液,所述含钠离子的无机盐水溶液中钠
    离子的浓度为0.5-10mol/L。
    5.根据权利要求4所述的一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,
    其特征在于:所述含钠离子的无机盐水溶液为硫酸钠、硝酸钠、氯化钠、氢氧化钠、碳酸钠、
    磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸氢二钠、氯酸钠中的一种或几种。
    6.根据权利要求1所述的一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,
    其特征在于:所述隔膜介于正极和负极之间,所述隔膜为聚丙烯膜、无纺布、聚氯乙烯微孔
    膜、聚乙烯微孔膜、玻璃纤维中的一种。
    7.根据权利要求1所述一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其
    特征在于,所述基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池制备方法,包括以下
    步骤:
    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,碳酸锂、氢氧化铝、硝酸铁、硝酸铬、硝酸镍或者
    氢氧化铜为第三源,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在850-900℃
    下煅烧12h,然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物;
    (2)将步骤(1)制备的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入导电剂和粘结剂,
    混匀,压片,烘干,得到正极;
    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,将两者混合后,加入碳酸钠,水浴加热至溶剂
    挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,煅烧,得到钛磷氧化物;
    (4)将步骤(3)制备的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入导电剂和粘结剂,
    混匀,压片,烘干,得到负极;
    (5)依次将步骤(2)制备的正极、隔膜、步骤(4)制备的负极和电解液组装,形成基于钛
    磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池。
    8.根据权利要求7所述一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其
    特征在于:所述步骤(1)的锰源、钠源和第三源的摩尔比为0.22-0.44:0.9-1:0-0.1。
    9.根据权利要求7所述一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其
    特征在于:所述步骤(3)的钛源和磷源的摩尔比为1:1-2。
    10.根据权利要求7所述一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其
    特征在于:所述步骤(5)的正极中钠锰氧化物与负极中的钛磷氧化物的质量比为1.5-2.5:
    1。

    说明书

    一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池

    技术领域

    本发明属于电池材料技术领域,具体涉及一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可
    充钠离子电容电池。

    背景技术

    能源是制成整个人类文明进步的物质基础,随着可再生能源和可再生能源技术的
    飞速发展,风能、太阳能、潮汐能和地热能等均属于可再生清洁能源,将这些可再生清洁能
    源高效便捷安全存储成为了研究的重点。电化学储能是一种效率高、投资少、使用安全、用
    于灵活等特点,电化学储能分为钠硫电池、液流电池、镍氢电池和锂离子电池。其中锂离子
    电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等
    优点,随着锂离子电池逐渐应用于电动汽车,锂离子电池的安全问题、寿命问题和成本问题
    逐渐凸显,因此,急需发展一种综合效能优异的储能电池新体系。

    相比锂资源而言,钠储量十分丰富,而且分布广泛,提炼简单,而且钠和锂具有相
    似的物理化学性质,钠离子电池的工作原理也与锂离子类似,且充放电可逆。中国专利CN
    203839466U公开的一种水系钠离子电容电池,该电池包括两镍箔电极、钠离子超导体电极
    材料层、活性炭材料层、隔膜和钠盐有机电解液,利用钠离子超导体电极材料层的钠离子的
    可脱嵌性,实现电极的充放电过程。中国专利CN 102916186B公开的一种钠离子电池负极材
    料和负极的制备方法及钠离子电池,该钠离子电池的负极材料是将硫化钠、单质铌和单质
    硫作为原料,采用高温固相法制备形成硫化物负极材料,再与乙炔黑和粘结剂复合形成钠
    离子电池负极,电池正极材料为钴酸钠、镍酸钠、镍钴锰酸钠等,最后与隔膜和钠盐的非水
    溶剂复合形成电池材料,制备的电池材料具有良好的充放电容量和循环性能。但是,目前钠
    离子电容电池采用的原料的成本较高,制备工艺较为复杂,环境要求较高。

    本发明的申请人将钛磷氧化物作为负极活性材料,钠锰氧化物作为正极活性材
    料,两者都可以在空气氛围下煅烧,且电池的组装也可以在空气氛围下进行,制备工艺简
    单,而且成本低,适合于工业化生产。

    发明内容

    本发明要解决的技术问题是提供一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离
    子电容电池,将钛磷氧化物作为负极活性材料,钠锰氧化物作为正极活性材料,辅助导电剂
    和黏合剂,分别制备形成负极和正极,再与隔膜和电解质组合形成水系可充钠离子电容电
    池。本发明制备过程简单,对环境要求低,制备的的电池比铅酸电池具有更高的能量效率、
    功率密度、循环寿命和活性物质利用率等,且比镉镍电池和氢镍电池成本低,安全环保。

    为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:

    一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,所述基于钛磷氧化物
    负极材料的水系可充钠离子电容电池包括正极、负极、隔膜和电解液,所述正极包括钠锰氧
    化物、导电剂和粘结剂,所述负极包括钛磷氧化物、导电剂和粘结剂,所述钠锰氧化物为
    Na0.44MnO2或者Na0.44Mn1-yMyO2,0≤y≤0.1,所述M为Al、Li、Fe、Co、Ni、Cu中的一种或者两种,
    所述钛磷氧化物为(TiO)aPbOc,c=a+2.5b,0≤a≤3,0≤b≤3,0≤c≤12,所述导电剂为多孔
    活性炭、介孔碳、炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维或者膨胀石墨中的一种。

    作为上述技术方案的优选,所述导电剂还可以为导电聚合物。

    作为上述技术方案的优选,所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯、
    聚乙烯醇、羧甲基纤维素基钠中的一种。

    作为上述技术方案的优选,所述电解液为含钠离子的无机盐水溶液,所述含钠离
    子的无机盐水溶液中钠离子的浓度为0.5-10mol/L。

    作为上述技术方案的优选,所述含钠离子的无机盐水溶液为硫酸钠、硝酸钠、氯化
    钠、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸氢二钠、氯酸钠中的一种或几种。

    作为上述技术方案的优选,所述隔膜介于正极和负极之间,所述隔膜为聚丙烯膜、
    无纺布、聚氯乙烯微孔膜、聚乙烯微孔膜、玻璃纤维中的一种。

    作为上述技术方案的优选,所述基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容
    电池制备方法,包括以下步骤:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,碳酸锂、氢氧化铝、硝酸铁、硝酸铬、硝酸镍
    或者氢氧化铜为第三源,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在850-
    900℃下煅烧12h,然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物;

    (2)将步骤(1)制备的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入导电剂和粘
    结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,将两者混合后,加入碳酸钠,水浴加热至
    溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,煅烧,得到钛磷氧化物;

    (4)将步骤(3)制备的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入导电剂和粘
    结剂,混匀,压片,烘干,得到负极;

    (5)依次将步骤(2)制备的正极、隔膜、步骤(4)制备的负极和电解液组装,形成基
    于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池。

    作为上述技术方案的优选,所述步骤(1)的锰源、钠源和第三源的摩尔比为0.22-
    0.44:0.9-1:0-0.1。

    作为上述技术方案的优选,所述步骤(3)的钛源和磷源的摩尔比为1:1-2。

    作为上述技术方案的优选,所述步骤(5)的正极中钠锰氧化物与负极中的钛磷氧
    化物的质量比为1.5-2.5:1。

    与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

    (1)本发明制备的水系可充钠离子电容电池将钛磷氧化物作为负极活性材料,将
    钠锰氧化物作为正极活性材料,两者材料结构稳定,与传统的碳类活性炭相比,钛磷氧化物
    和钠锰氧化物具有更好的能量效率和放电比容量,循环稳定性好,而且词用固相反应法制
    备正极和负极材料,制备方法简单,来源广泛,价格低廉,绿色环保,更加有利于工厂化规模
    生产。

    (2)本发明制备的水系可充钠离子电容电池可以在空气氛围下制备和组装,工艺
    简单,环境宽松,且采用无机盐水溶液作为电解液,更加安全环保,成本低廉,且本发明制备
    的正极材料中还含有Al、Li、Fe、Co、Ni、Cu离子,增加了钠锰氧化物的比表面积,提高了活性
    正极材料的比容量和能量密度。

    (3)本发明制备的水系可充钠离子电容电池在充电过程中,钠离子从正极材料中
    脱出,通过电解液吸附在负极材料的表面,电荷在负极表面和电解液之间形成钠离子双电
    层,在放点过程中,钠离子从负极表面解析,通过电解质进入正极材料中,实现充放电。

    (4)本发明制备的水系可充钠离子电容电池与铅酸电池相比,电容电池的能量效
    率高、比能量高、功率密度高、循环寿命长、倍率性能好,与镉镍电池和氢镍电池相比,电容
    电池的整体造价低,安全环保,因此本发明制备的水系可充钠离子电容电池可应用于大规
    模能量转换体系、蓄电池车用和航空航天等领域。

    具体实施方式

    下面将结合具体实施例来详细说明本发明,在此本发明的示意性实施例以及说明
    用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。

    实施例1:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,以摩尔比为0.22:1,将三者混合研磨、压
    片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在900℃下煅烧12h,然后依次用去离子水和无水乙醇
    洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    多孔活性炭导电剂和4份的聚四氟乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:1,将两者混合后,加入碳
    酸钠,在60℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700℃
    下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    多孔活性炭导电剂和4份的聚四氟乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为0.5mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液
    组装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物
    与负极中的钛磷氧化物的质量比为1.5:1。

    实施例2:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,碳酸锂为第三源,以摩尔比为0.44:0.9:
    0.1,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在850℃下煅烧12h,然后依次
    用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    介孔碳导电剂和4份的聚偏二氯乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:2,将两者混合后,加入碳
    酸钠,在70℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700℃
    下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    介孔碳导电剂和4份的聚偏二氯乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为10mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液
    组装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物
    与负极中的钛磷氧化物的质量比为2.5:1。

    实施例3:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,氢氧化铝为第三源,以摩尔比为0.22:
    0.95:0.05,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在900℃下煅烧12h,然
    后依次用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    炭黑导电剂和4份的羧甲基纤维素基钠粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:1.5,将两者混合后,加入
    碳酸钠,在65℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700
    ℃下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    石墨导电剂和4份的聚乙烯醇粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为5mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液组
    装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物与
    负极中的钛磷氧化物的质量比为2:1。

    实施例4:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,硝酸铁为第三源,以摩尔比为0.44:0.9:
    0.1,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在900℃下煅烧12h,然后依次
    用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    石墨烯导电剂和4份的聚偏二氯乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:2,将两者混合后,加入碳
    酸钠,在70℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700℃
    下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    石墨烯导电剂和4份的聚乙烯醇粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为2mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液组
    装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物与
    负极中的钛磷氧化物的质量比为1.5:1。

    实施例5:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,硝酸镍或者氢氧化铜为第三源,以摩尔比
    为0.22:0.97:0.03,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在900℃下煅
    烧12h,然后依次用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    膨胀石墨导电剂和4份的聚四氟乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:1.5,将两者混合后,加入
    碳酸钠,在70℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700
    ℃下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    炭黑导电剂和4份的羧甲基纤维素基钠粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为6mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液组
    装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物与
    负极中的钛磷氧化物的质量比为1.5:1。

    实施例6:

    (1)以二氧化锰为锰源,碳酸钠为钠源,硝酸铬为第三源,以摩尔比为0.44:0.9:
    0.1,将三者混合研磨、压片、在500℃下煅烧5h、再研磨、压片、在900℃下煅烧12h,然后依次
    用去离子水和无水乙醇洗涤,在60℃下烘干,得到钠锰氧化物。

    (2)按重量份计,将80份的钠锰氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    纳米碳纤维导电剂和4份的聚乙烯醇粘结剂,混匀,压片,烘干,得到正极;

    (3)以硫酸钛为钛源、磷酸氢二钠为磷源,以摩尔比为1:1,将两者混合后,加入碳
    酸钠,在70℃下水浴加热至溶剂挥发完全,依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,在700℃
    下煅烧8h,得到钛磷氧化物。

    (4)按重量份计,将80份的钛磷氧化物加入无水乙醇中,混合均匀,再加入16份的
    纳米碳纤维导电剂和4份的聚氯乙烯粘结剂,混匀,压片,烘干,得到负极。

    (5)依次将正极、隔膜、负极和浓度为2mol/L的含钠离子的无机盐水溶液电解液组
    装,形成基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池,其中正极中钠锰氧化物与
    负极中的钛磷氧化物的质量比为1.5:1。

    实施例1-6制备的电容电池性能测试方法:在100-2000mA·g-1电流密度,0.01-
    1.8V电压范围进行充放电测试,经检测,实施例1-6制备的基于钛磷氧化物负极材料的水系
    可充钠离子电容电池的放电比容量的结果如下所示:



    充放电循环1000次的基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池的放
    电比容量、装置能量密度和库伦效率保持率的结果如下所示:



    由上表可见,本发明制备的基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池
    放电比容量好,循环1000次后放电比容量提高且稳定性好,装置能量密度和库伦效率保持
    率好。

    上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟
    悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因
    此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
    成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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    本文标题:一种基于钛磷氧化物负极材料的水系可充钠离子电容电池.pdf
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