单晶锰酸锂纳米线制备无机水溶液锂离子电池体系的方法

摘要

本发明公开了单晶锰酸锂纳米线制备无机水溶液锂离子电池体系的方法，用单晶锰酸锂纳米线作为水锂电体系的正极活性材料；用无机锂盐水溶液替代常用锂盐的有机电解液设计锂离子电池；用水热合成法和固相分段烧结法制备单晶锰酸锂纳米线，采用固相分段法制备钒酸锂电池材料。与有机电解液锂离子电池相比，水溶液锂离子电池彻底解决了安全隐患，不必在苛刻的真空环境、干湿度严格控制及其保护气氛下组装电池，水锂电体系的电解液廉价且离子电导率比有机电解液高出两个数量级。更加重要的是水溶液锂离子电池对环境友好，是真正的绿色能源电池。本发明的水溶液锂离子电池的电压为1.0V，放电比容量为95-110mAh·g-1。

主权项

一种单晶锰酸锂纳米线制备无机水溶液锂离子电池体系的方法，其特征在于：1)制备单晶锰酸锂纳米线正极材料：首先，配制摩尔浓度为2.5‑10.0mol·L‑1的NaOH溶液，按Na0.44Mn2O4化学计量比称取Mn3O4；将Mn3O4与NaOH溶液混合，超声分散10‑20分钟，置于水热反应釜中，加热到205‑225℃，恒温3‑5天；将反应釜中的产物进行反复冲洗抽滤5‑10次，真空室温干燥后，制得单晶锰酸锂纳米线前驱体LiNa0.44Mn2O4纳米线；其次，按摩尔比为1∶0.88∶0.12称取Na0.44Mn2O4、LiNO3、LiCl·H2O，将上述原料放入球磨罐，装入玛瑙研磨球，球磨2‑4小时，获得混合浆料，将其置于瓷舟中，放入电阻丝卧式管式炉，以1‑5℃·min‑1的升温速率加热到450‑550℃，保温1‑5小时，然后随炉冷却至室温，将得到的黑色产物反复冲洗抽滤5‑10次，真空室温干燥2‑4小时；最后，将干燥后的产物置于瓷舟中，放入电阻丝卧式管式炉，以1‑5℃·min‑1的升温速率加热到750‑850℃，保温1‑4小时；然后随炉冷却至室温，在玛瑙研钵内研磨获得单晶锰酸锂LiMn2O4纳米线；2)制备钒酸锂负极材料：选取Li2CO3和V2O5为原料，按照(1.02～1.06)∶3摩尔比称样，将上述原料放入球磨罐，装入玛瑙研磨球，球磨20‑24小时，获得混合粉末，在15‑20MPa的压强下，保压10‑15分钟，脱模获得圆柱块；将获得的圆柱块置于瓷舟中，放入电阻丝卧式管式加热炉，采用下述煅烧过程：以3‑5℃·min‑1的升温速率加热到650‑680℃，保温10‑12小时；随炉冷却至室温；再以3‑5℃·min‑1的升温速率加热到300‑350℃，保温8‑10小时；随炉冷却至室温，获得钒酸锂LiV3O8样品；3)电极片的制备工艺：a.将合成的单晶LiMn2O4纳米线样品和LiV3O8样品分别与乙炔黑混合，得到黑色粉末，然后将聚偏二氟乙烯溶解在除水的N‑甲基吡咯烷酮中，得到溶液A，将黑色粉末与溶液A混合得到黑色浆料；其中，单晶LiMn2O4纳米线样品分别与乙炔黑、聚偏二氟乙烯的质量比为80∶10∶10或者85∶10∶5；LiV3O8样品分别与乙炔黑、聚偏二氟乙烯的质量比为80∶10∶10或者85∶10∶5；b.将黑色浆料用刮粉刀涂在镍网上，在真空条件下85‑100℃干燥8‑10小时，分别得到单晶LiMn2O4纳米线正极电极片和LiV3O8负极电极片；4)以单晶LiMn2O4纳米线电极片为水锂电正极，LiV3O8电极片为水锂电负极，装在20ml LiNO3电解液的烧杯中，其电解液的摩尔浓度为1M‑9M，正负极片浸入，保持0.5‑1cm的间距，即可获得无机水溶液锂离子电池体系。