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CN112713301B - 储能装置 - Google Patents

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CN112713301B CN202011639493.5A CN202011639493A CN112713301B CN 112713301 B CN112713301 B CN 112713301B CN 202011639493 A CN202011639493 A CN 202011639493A CN 112713301 B CN112713301 B CN 112713301B
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Abstract

本发明公开了一种储能装置，该储能装置包括正极片、负极片、凝胶聚合物电解质膜和醚基电解液；所述凝胶聚合物电解质膜设置在所述正极片与所述负极片之间，所述醚基电解液填充在所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜之间；所述醚基电解液的组分包括：双氟磺酰亚胺锂、1,2‑二甲氧基乙烷和1,1,2,2‑四氟乙基2,2,3,3‑四氟丙烷醚。根据本公开的一个实施例，通过电芯中的凝胶聚合物电解质薄膜与醚基电解液相互作用，能够改善凝胶聚合物电解质的浸润性能，提高了电池中离子的电导率，从而提高电池的倍率性能。

Description

储能装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，更具体地，涉及一种储能装置。
背景技术
目前，电子产品主要依靠电池提供电能，随着电子产品的更新发展，电池也需要适应不同的电子产品。在长时间使用电子产品的情况下，电池中的电极材料长时间参与反应，会出现电极材料损耗过快，电池容量出现不可逆的衰减。
现有技术中，电池中的电解质和电极材料在充放电过程中容易发生副反应，导致电池容量出现不可逆衰减。
因此，需要一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种储能装置的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种储能装置，该储能装置包括正极片、负极片、凝胶聚合物电解质膜和醚基电解液；
所述凝胶聚合物电解质膜设置在所述正极片与所述负极片之间，所述醚基电解液填充在所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜之间；
所述醚基电解液的组分包括：双氟磺酰亚胺锂、1,2-二甲氧基乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚。
可选地，所述双氟磺酰亚胺锂、所述1,2-二甲氧基乙烷和所述1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚的摩尔比为0.5-1.5:0.5-1.5:3。
可选地，所述凝胶聚合物电解质膜包括聚乙烯醇-硫酸锂和/或聚乙烯醇-硝酸锂。
可选地，所述凝胶聚合物电解质膜的厚度为10μm-50μm。
可选地，所述负极片包括负极集流体以及涂覆在所述负极集流体上的负极材料，所述负极材料包括聚吡咯-钒酸锂和/或聚吡咯-钛酸锂。
可选地，所述负极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘接剂与所述聚吡咯-钒酸锂和/或所述聚吡咯-钛酸锂混合在一起。
可选地，所述正极片包括正极集流体以及涂覆在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰。
可选地，所述正极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘结剂与所述钴酸锂、所述锰酸锂、所述镍锰酸锂、所述镍钴锰酸锂或富锂锰混合在一起。
可选地，包括多个所述正极片、多个所述负极片和多个凝胶聚合物电解质膜，所述多个正极片与所述多个负极片交替且层叠设置，相邻的所述正极片与所述负极片之间设置有所述凝胶聚合物电解质膜，以形成叠片结构。
可选地，所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜层叠设置，并形成卷绕结构。
在本公开的一个实施例中，通过凝胶聚合物电解质薄膜与醚基电解液相互作用，能够改善凝胶聚合物电解质的浸润性能，提高了离子的电导率，从而提高储能装置的倍率性能。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本公开一个实施例中的储能装置的结构示意图。
图2是本公开一个实施例中的储能装置在不同充放电倍率下的放电容量图。
图3是本公开一个实施例中的储能装置在2C电流密度下循环的电容量变化图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本公开的一个实施例，提供了一种储能装置，如图1所示，该储能装置包括正极片、负极片、凝胶聚合物电解质膜和醚基电解液。
所述凝胶聚合物电解质膜设置在所述正极片与所述负极片之间，所述醚基电解液填充在所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜之间。
所述醚基电解液的组分包括：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚(TTE)。
储能装置的壳体1具有容纳腔，电芯2设置在容纳腔内。正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜形成电芯2的结构。醚基电解液填充正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜之间，以使电芯2处于醚基电解液内。
在该实施例中，电芯2处于醚基电解液内，以使电解液包裹电芯2。凝胶聚合物电解质膜在正极片与负极片之间起到了隔离层的作用，能够选择性通过离子。凝胶聚合物电解质膜为通过凝胶聚合物电介质制备形成的薄膜。
醚基电解液中包含了双氟磺酰亚胺锂、1,2-二甲氧基乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚，该醚基电解液能够改善凝胶聚合物电解质的浸润性能，以提高储能装置内离子的电导率，从而能够提高储能装置的倍率性能。即在该实施例中的凝胶聚合物电解质膜和醚基电解液的作用下提高了储能装置的充放电能力。
在一个实施例中，所述双氟磺酰亚胺锂、所述1,2-二甲氧基乙烷和所述1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚的摩尔比为0.5-1.5：0.5-1.5：3。
醚基电解液内的不同组分比例使醚基电解液在储能装置中具有完全不同的提升电池容量的效果，尤其对凝胶聚合物电解质浸润性的影响具有很大的差异。
在该实施例中，双氟磺酰亚胺锂、所述1,2-二甲氧基乙烷和所述1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚的摩尔比使该凝胶聚合物电解质(Gel Polymer electrolyte,GPE)的浸润性得到有效的提高，有效地增加了电解质中离子的电导率，使储能装置的电容量的倍率性能进一步提高。
在一个实施例中，所述凝胶聚合物电解质膜包括聚乙烯醇-硫酸锂(PVA-Li2SO4)和/或聚乙烯醇-硝酸锂(PVA-LiNO3)。
凝胶聚合物电解质膜是凝胶聚合物电解质形成的膜层，设置凝胶聚合物电解质膜在正极片和负极片上作为储能装置的电解质层。凝胶聚合物电解质的状态介于固态电解质和液态电解质之间的材料，具有电导率大，电化学稳定性，机械强度高，以及锂离子迁移数高的优点。
凝胶聚合物电解质膜能够适应不同形态的储能装置的结构，凝胶聚合物电解质膜具有优异的结构可加工性，配合储能装置的结构需求，可以提高储能装置设计的灵活性。
凝胶聚合物电解质膜能够通过不同的成型方法成型，使凝胶聚合物电解质膜能够呈现不同的结构特点，以更容易将醚基电解液限制在凝胶聚合物电解质膜的结构中，促进了凝胶聚合物电解质膜与醚基电解液的相互作用，从而更进一步改善了凝胶聚合物电解质的浸润性。
在一个实施例中，所述凝胶聚合物电解质膜的厚度为10μm-50μm。
通过将凝胶聚合物电解质压制形成10μm-50μm厚的凝胶聚合物电解质膜，以更容易设置在正极片和负极片上。例如，将凝胶聚合物电解质膜贴附在正极片和负极片上。凝胶聚合物电解质膜以及醚基电解液使正极片和负极片能够充分参与反应，凝胶聚合物电解质膜在醚基电解液的作用下进一步提高电解质中的离子的电导率。例如，提高了电解质中的锂离子的电导率。
在10μm-50μm的厚度范围内，凝胶聚合物电解质膜能够有效使离子在正极片和负极片之间形成交换，满足电解质充放电反应中的功能。
在该厚度范围内，凝胶聚合物电解质膜不会占用过多的空间，使电芯在有限的体积下能够设置更多的正极片和负极片。
在一个实施例中，所述负极片包括负极集流体以及涂覆在所述负极集流体上的负极材料，所述负极材料包括聚吡咯-钒酸锂(PPy-LVO)和/或聚吡咯-钛酸锂(PPy-LTO)。
在该实施例中，负极材料包括聚吡咯-钒酸锂和/或聚吡咯-钛酸锂，该负极材料具有更优的稳定性。减小了电极在反应过程中发生的溶解、沉积等现象，有效地减少了电极受到的损伤，以避免对电芯造成刺穿或形成孔洞。通过该负极材料有效地避免了正极片与负极片短路造成的安全问题。
例如，在钒酸锂材料的表面形成聚吡咯层，以得到聚吡咯-钒酸锂材料。或者，在钛酸锂材料的表面形成聚吡咯层，以得到聚吡咯-钛酸锂材料。
聚吡咯材料形成导电涂层，提高了材料的稳定性。负极材料在电解质中更加稳定，有效地减小了储能装置反应过程中对负极材料造成的消耗和损伤，降低了负极形成枝晶刺穿隔离层与储能装置的正极发生短路，提高了储能装置的安全性。
在一个实施例中，所述负极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘接剂与所述聚吡咯-钒酸锂和/或所述聚吡咯-钛酸锂混合在一起。
在该实施例中，设置负极材料需要将导电剂和粘接剂与聚吡咯-钒酸锂和/或聚吡咯-钛酸锂混合在去离子水溶剂中，以形成浆料。
通过在负极集流体上涂覆负极材料形成负极片。负极材料为浆料，将浆料涂覆在负极集流体上，需要使浆料经过固化后形成负极片。例如，通过烘干蒸发水分，以使浆料固化在负极集流体上。固化后的浆料与负极集流体固化形成一体结构。
例如，导电剂、粘接剂以及聚吡咯-钒酸锂和/或所述聚吡咯-钛酸锂在去离子水溶剂中均匀混合，以形成浆料。浆料中的粘接剂使负极材料内的各材更牢固地料粘接在一起，并使浆料更容易与负极集流体粘结在一起。导电剂能够提高了负极片的导电效果。
例如，负极集流体为铜箔，将负极材料制作的浆料涂覆在铜箔上，并加工形成负极片。
可选地，导电剂可以是导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管等。粘接剂可以是丁苯橡胶(SBR)。
在一个实施例中，所述正极片包括正极集流体以及涂覆在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰。
在该实施例中，通过在正极集流体上涂覆正极材料，以形成正极片。例如，正极集流体为铝箔，在铝箔上涂覆钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰形成正极片。钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰作为正极材料能够有效提供锂离子参与到反应中，减小了正极集流体的消耗，提高了正极集流体与正极材料之间的电接触，保障了储能装置的电容量。
在一个实施例中，所述正极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘结剂与所述钴酸锂、所述锰酸锂、所述镍锰酸锂、所述镍钴锰酸锂或富锂锰混合在一起。
在该实施例中，设置正极材料需要将导电剂和粘结剂与钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰混合在一起，以形成浆料，将浆料涂覆在正极集流体的表面形成正极片。通过将钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰与导电剂以及粘接剂加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合混匀形成正极材料的浆料。在该浆料中，导电剂能够提高正极材料的导电性能。粘接剂能够提高各材料混合在一起的牢固性，例如，浆料固化后能够使各材料粘接在一起。并且粘接剂还能够使正极集流体与正极材料形成牢固的粘接。
可选地，导电剂可以是导电炭黑、碳纳米管等。粘接剂可以是聚偏氟乙烯(PVDF)。
可选地，将正极材料涂覆在正极集流体上固化形成正极片。例如，通过烘干的方式固化负极材料，固化后水分蒸发，以使负极材料固化在负极集流体上。
例如，正极材料在正极集流体上固化后形成正极片的基材，对正极片的基材进行裁切，以适应不同电芯对正极片结构的要求，制备出相应结构的正极片。
将负极材料涂覆在负极集流体上固化形成负极片。例如，负极材料在负极集流体上固化后形成负极片的基材，对负极片的基材进行裁切，以适应不同电芯对负极片结构的要求，制备出相应结构的负极片。
在一个实施例中，如图1所示，储能装置包括多个所述正极片、多个所述负极片和多个凝胶聚合物电解质膜，所述多个正极片与所述多个负极片交替且层叠设置，相邻的所述正极片与所述负极片之间设置有所述凝胶聚合物电解质膜，以形成叠片结构。
所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜可以为圆片结构、方形结构、矩形结构或不规则图形的结构。
在该实施例中，将正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜制备为同样的结构，通过交替层叠设置正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜堆叠形成叠片结构电芯2。使电芯2适用于需要叠片结构电芯的储能装置。
例如，壳体1形成储能装置的容纳腔，将电芯2设置在容纳腔内，并加入醚基电解液。对壳体1封口后制备形成储能装置。制备的该储能装置例如是扣式电池。
例如，将正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜制备为圆片结构。圆片结构的正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜的直径例如为14mm、16mm、18mm或20mm。加入的醚基电解液例如为0.01mL-0.03mL。
在一个实施例中，所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜层叠设置，并形成卷绕结构。
在该实施例中，对正极片、负极片和凝胶聚合物电解质膜层叠的结构进行卷绕，以形成卷绕结构的电芯。在该卷绕结构的电芯中，凝胶聚合物电解质膜在正极片与负极片之间形成隔离，凝胶聚合物电解质膜起到隔离膜的作用。
例如，将正极片、负极片凝胶聚合物电解质膜裁切成宽度为3mm-5mm，长度为350mm-500mm的片状结构，层叠设置后形成卷绕结构。
将该卷绕结构的电芯放入壳体的容纳腔内，加入0.1-0.5mL醚基电解液并对壳体1进行封口。制备形成的储能装置例如是扣式电池。
实施例一，如图2，图3所示，根据上述实施例中的储能装置，储能装置的正极片上的正极材料包括钴酸锂。负极片上的负极材料包括聚吡咯-钒酸锂。电解液为醚基电解液，正极片和负极片上的设置了凝胶聚合物电解质膜。
在室温条件下，对该储能装置在4.4V电压以及2C,3C,4C,5C的倍率下进行放电容量的测试，循环180周。
在该实施例中，如图2所示，储能装置在2C,3C,4C,5C的倍率下的放电容量对应为172mAhg-1,167mAhg-1,165mAhg-1,161mAhg-1。
如图3所示，在2C电流密度下，循环180次后容量保持稳定，衰减量很少。
该储能装置通过凝胶聚合物电解质、醚基电解液、正极材料和负极材料的作用下，使储能装置在不同的倍率下具有较高的放电容量。由于聚吡咯形成的保护层以及凝胶聚合物电解质的作用，有效抑制了负极材料中的钒酸锂和钛酸锂的溶解，降低了电荷转移的电阻，缓冲了循环过程中电极的体积变化，使储能装置的循环性能进一步提高。
该储能装置的放电容量在不同的倍率下可以维持较高的放电容量，相对于现有技术中的储能装置具有更优良的倍率性能。
对比例一，在实施例一的条件下，将醚基电解液替换为现有储能装置所使用的锂离子电解液。在室温条件下，对储能装置在4.4V电压有一集2C,3C,4C,5C倍率下进行放电容量测试，循环180周，放电容量为170mAhg-1,160mAhg-1,152mAhg-1,140mAhg-1，循环180周的容量保持率为85％。
对比可知，本公开中的醚基电解液能够有效提高放电容量的保持率。在多次循环的情况下能够保持放电容量稳定。醚基电解液对凝胶聚合物电解质的作用明显，提高了浸润性，增加了电导率，从而提高不同倍率下的性能。
实施例二，储能装置的正极片上的正极材料包括锰酸锂。负极片上的负极材料包括聚吡咯-钒酸锂。电解液为醚基电解液，正极片和负极片上的设置了凝胶聚合物电解质膜。
在室温条件下，对该储能装置在4.2V电压以及2C,3C,4C,5C的倍率下进行放电容量的测试，循环180周。
在该实施例中，对应2C,3C,4C,5C的倍率，储能装置的放电容量对应为125mAhg-1,123mAhg-1,122mAhg-1,120mAhg-1。
实施例三，储能装置的正极片上的正极材料包括高镍三元。负极片上的负极材料包括聚吡咯-钒酸锂。电解液为醚基电解液，正极片和负极片上的设置了凝胶聚合物电解质膜。
在室温条件下，对该储能装置在4.3V电压以及2C,3C,4C,5C的倍率下进行放电容量的测试，循环180周。
在该实施例中，对应2C,3C,4C,5C的倍率，储能装置的放电容量对应为180mAhg-1,177mAhg-1,175mAhg-1,174mAhg-1。
在上述实施例中，通过凝胶聚合物电解质膜的作用，使储能装置在各种角度弯曲、挤压和折叠的情况下，能够保持放电容量不出现损失，具有优异的柔韧性。在进行穿孔的情况下不会破坏储能装置的稳定性，使储能装置具有优异的安全性能。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种储能装置，其特征在于，包括正极片、负极片、凝胶聚合物电解质膜和醚基电解液；
所述凝胶聚合物电解质膜设置在所述正极片与所述负极片之间，所述醚基电解液填充在所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜之间；
所述醚基电解液的组分包括：双氟磺酰亚胺锂、1,2-二甲氧基乙烷和1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚。
2.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述双氟磺酰亚胺锂、所述1,2-二甲氧基乙烷和所述1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙烷醚的摩尔比为0.5-1.5:0.5-1.5:3。
3.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述凝胶聚合物电解质膜包括聚乙烯醇-硫酸锂和/或聚乙烯醇-硝酸锂。
4.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述凝胶聚合物电解质膜的厚度为10μm-50μm。
5.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述负极片包括负极集流体以及涂覆在所述负极集流体上的负极材料，所述负极材料包括聚吡咯-钒酸锂和/或聚吡咯-钛酸锂。
6.根据权利要求5所述的储能装置，其特征在于，所述负极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘接剂与所述聚吡咯-钒酸锂和/或所述聚吡咯-钛酸锂混合在一起。
7.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述正极片包括正极集流体以及涂覆在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂或富锂锰。
8.根据权利要求7所述的储能装置，其特征在于，所述正极材料还包括导电剂和粘结剂，所述导电剂和所述粘结剂与所述钴酸锂、所述锰酸锂、所述镍锰酸锂、所述镍钴锰酸锂或富锂锰混合在一起。
9.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，包括多个所述正极片、多个所述负极片和多个凝胶聚合物电解质膜，所述多个正极片与所述多个负极片交替且层叠设置，相邻的所述正极片与所述负极片之间设置有所述凝胶聚合物电解质膜，以形成叠片结构。
10.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述正极片、所述负极片和所述凝胶聚合物电解质膜层叠设置，并形成卷绕结构。
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