專利名稱：鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)榛瘜W(xué)電池。
鋰電池是一種新型的高比能量電源。一些已商品化的鋰電池，如Li-MnO2電池，其使用的電解質(zhì)是液態(tài)材料;Li-I2電池的電解質(zhì)是摻雜的LiI材料;其它一些Li-CuO、Li-SO2、Li-SOCl2電池的電解質(zhì)也與本發(fā)明所用的電解質(zhì)不同;此外，Li-FeS2電池，則是以熔融態(tài)的LiCl-KCl作為電解質(zhì)的熱電池。
本發(fā)明的目的是以我國(guó)豐產(chǎn)的天然膨潤(rùn)土提取的優(yōu)質(zhì)鈉蒙脫石為原料，采用鋰鹽非水有機(jī)溶劑法，制備鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體電池的固體電解質(zhì)。按(-)Li｜鋰型蒙脫石｜TiS2(+)組成的電池，負(fù)極用的金屬鋰和正極用的TiS2都有現(xiàn)成商品供應(yīng)。固體電解質(zhì)的選擇使用對(duì)電池的物理、化學(xué)性能和電池的質(zhì)量有極大的影響。
鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體材料制備，以天然鈉基膨潤(rùn)土為原料，經(jīng)提純選取粒徑小于2μ的優(yōu)質(zhì)鈉基蒙脫石(含量在75～95%以上)，再進(jìn)行脫水處理，采用鋰鹽非水有機(jī)溶劑丙二醇碳酸酯或二甲基甲酰胺交換法，將鈉基蒙脫石改型為鋰型蒙脫石，之后再進(jìn)行防材料極化處理，使材料維持電化學(xué)性能穩(wěn)定。
本發(fā)明使用的鋰型蒙脫石具有下列物理化學(xué)性能(1)離子電導(dǎo)率加丙二醇碳酸酯溶劑σ(25℃)＝1.53×10-3Ω-1·cm-1σ(70℃)＝5.2×10-3Ω-1·cm-1加二甲基甲酰胺溶劑σ(25℃)＝1.31～1.85×10-3Ω-1·cm-1
σ(73℃)＝5.85×10-3Ω-1·cm-1。
(2)電子電導(dǎo)率小于總電導(dǎo)率的1%。
(3)表觀活化能0.14eV。
(4)分解電壓≥2.6V。
(5)離子電導(dǎo)率隨時(shí)間的穩(wěn)定性在室溫下連續(xù)21天觀測(cè)，樣品離子電導(dǎo)基本恒定;在76℃條件下連續(xù)觀測(cè)21天，其離子電導(dǎo)率比初始下降1/7。
(6)材料的熱穩(wěn)定性在常溫下(20℃)材料的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，工作溫度最大范圍在-20～+50℃。
(7)鋰型蒙脫石材料對(duì)金屬鋰、二硫化鈦正負(fù)極材料不起化學(xué)作用，性能穩(wěn)定。在制備鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體材料過程中，對(duì)所含水份要有針對(duì)性地進(jìn)行脫水處理，并要防潮。本材料柔軟，加工時(shí)密集性好，具有良好的成型性。
本發(fā)明的實(shí)例按照(-)Li｜鋰型蒙脫石｜TiS2(+)的電池結(jié)構(gòu)模式，制成扣式固體鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體鋰電池。電池外殼為金屬結(jié)構(gòu)，外部尺寸為φ5～30×2.5～45mm，每只電池用料總重量為0.5～10.0g。
扣式蒙脫石鋰電池性能如下(1)開路電壓當(dāng)采用金屬鋰作負(fù)極材料時(shí)，開路電壓為3.20～3.30V;若采用LiAl合金作負(fù)極材料時(shí)，開路電壓約為2.70V。
(2)放電電流密度一只外形尺寸φ11.6×4.2mm的扣式蒙脫石鋰電池，制成后存放58天后實(shí)驗(yàn)放電，取負(fù)載電阻470KΩ恒阻放電時(shí)(放電電流平均密度≈9μA/cm2)，由初始開路電壓3.2V降到2V時(shí)，有延續(xù)536小時(shí)的放電平臺(tái)，再按電流密度10μA/cm2恒流放電，由2V到1.20V截止，又延續(xù)放電338小時(shí)。
另一只同樣尺寸的扣式蒙脫石鋰電池，制成后存放512天，安裝在一塊運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)石英電子秒表中試用，以電流密度18μA/cm2連續(xù)放電工作，連續(xù)工作達(dá)1250小時(shí)，實(shí)際放出的比能量為22.5AH/kg，比功率為67.5WH/kg。以這只蒙脫石鋰電池為能源的運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)石英表實(shí)際精度，運(yùn)行由0到1000小時(shí)，走時(shí)總誤差累計(jì)為2秒。
(3)電池的比能量和比功率試制成的外部尺寸為φ11.6×4.2mm的、料重＝0.5g的扣式蒙脫石鋰電池，其比能量和比功率如下比能量為16.4～22.5AH/kg，比功率為49.2～67.5WH/kg。
(4)電池貯存壽命制成的扣式蒙脫石鋰電池，從制成之日起，經(jīng)過連續(xù)31個(gè)月的觀測(cè)，開路電壓穩(wěn)定在3.20V以上，與電池制成時(shí)初始的開路電壓相比，總下降率為2.5%，預(yù)計(jì)可以有3～5年的貯存壽命。
(5)二次充放電性能蒙脫石鋰電池可以進(jìn)行再充放電，充電時(shí)基本上能恢復(fù)到初始電壓，(接近3V)。再充電的鋰電池，供普通電子手表使用作電源，最長(zhǎng)可連續(xù)運(yùn)行3600小時(shí)。該電池已充放電各8次。
蒙脫石鋰電池所具有的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用前景是明確的，它具有以下幾個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)(1)由膨潤(rùn)土礦提純選取的優(yōu)質(zhì)蒙脫石是一種天然的礦物材料，我國(guó)資源豐富，且價(jià)格便宜，我國(guó)對(duì)蒙脫石的礦物學(xué)和礦床地質(zhì)學(xué)研究具有良好的基礎(chǔ)。
(2)我國(guó)擁有豐富的天然的鋰資源，鋰電池的開發(fā)生產(chǎn)，勢(shì)必進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)的鋰資源的開發(fā)，推動(dòng)金屬鋰工業(yè)的發(fā)展，鋰金屬工業(yè)的發(fā)展又將為鋰電池的發(fā)展創(chuàng)造良好的發(fā)展條件。
(3)鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體材料具有離子電導(dǎo)率高、電子電導(dǎo)率低、分解電壓高以及熱學(xué)性能和電化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，這是其它鋰型離子導(dǎo)體材料所不及的。
(4)蒙脫石鋰電池具有體積小、重量輕、開路電壓高(普通鋅錳電池的一倍)、工作溫度范圍寬(-20～+50℃)、貯存壽命長(zhǎng)(3～5年)等特點(diǎn)，并具有二次充放電性能，適合于電子表、計(jì)算器使用。
(5)鋰電池可以適當(dāng)發(fā)展大型化、電解質(zhì)薄型化，進(jìn)一步提高單個(gè)鋰電池的電容量。
權(quán)利要求
1.一種鋰電池，以金屬鋰為負(fù)極，TiS2為正極，其特征是以鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體材料為固體電解質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電池，其特征是以天然膨潤(rùn)土提取的鈉基蒙脫石為原料，經(jīng)脫水處理，采用鋰鹽非水有機(jī)溶劑交換法，將鈉基蒙脫石改型為鋰型蒙脫石，并進(jìn)行防材料極化處理后得到的鋰型蒙脫石做該電池的固體電解質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，2所說的電池，其特征是經(jīng)提純后鈉基蒙脫石的含量在75～95%，其粒徑小于2μ，所用非水有機(jī)溶劑是丙二醇碳酸酯或二甲基甲酰胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電池，其特征是電池用金屬做外殼，外部尺寸為φ5～30×2.5～45mm，每只電池用料總量為0.5～10.0g。
全文摘要
本發(fā)明提出了以天然膨潤(rùn)土提取的鈉基蒙脫石為原料，經(jīng)脫水處理，利用鋰鹽非水有機(jī)溶劑法，制備鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體材料，并以這種新型材料作為鋰電池的固體電解質(zhì)，制備鋰型蒙脫石快離子導(dǎo)體電池。
文檔編號(hào)H01M6/18GK1034093SQ8710123
公開日1989年7月19日 申請(qǐng)日期1987年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月26日
發(fā)明者黃振輝, 陳立泉, 蘇明迪, 王超英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所