[發明專利]一種可充堿金屬-硫液流電池

有效

• 申請號: 201110249169.7
• 申請日: 2011-08-26
• 公開（公告）號: CN102956866A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 胡勇勝;索鎏敏;李泓;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M2/14;H01M10/058;H01M10/0525
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟;馬知非

技術領域

本發明涉及一種化學電池。特別涉及一種堿金屬-硫液流電池。

背景技術

自鋰離子電池研制成功以來，由于其具有安全性好、電壓和比能量高、充放電壽命長等優點，因而廣泛用于手機、筆記本電腦和攝像機等便攜式電器。隨著電子設備小型化和便攜化，以及綠色環保的電動汽車的出現和蓬勃發展，使得作為能量及動力來源的鋰離子電池提出了更高的要求。如何在現有基礎上進一步提高鋰離子電池的比容量以及大倍率下放電性能，已成為當前熱點問題。此外，如何提高采用鋰離子電池動力系統的電子及動力設備對溫度的適應性，使其能在更加苛刻的室外環境中正常運轉或工作也是當前急需解決的問題。而作為鋰離子電池重要組成部分的正極材料又是決定鋰離子電池以上性能的關鍵制約因素。

目前商業化運用的鋰離子電池正極材料主要是集中在過渡金屬嵌鋰氧化物，包括鈷、鐵、鎳、錳的氧化物及其摻雜化合物，但是此類化合物受自身理論容量的限制最多提高到300Wh/Kg的能量密度，且由于此種材料均為固體，充放電過程中離子受擴散控制，因而倍率性能提升困難且空間不大，此外由于鋰離子在其中擴散過程受溫度變化影響較大，使鋰離子電池溫度使用范圍十分有限。鋰硫電池由于其高的能量密度(S₈1675mAh/g)，理論能量密度可達2800Wh/kg，被認為是未來鋰離子電池發展的方向，但是由于該體系存在較大技術難關，目前仍然處于實驗室階段。其存在的主要問題是：1)充電產物單質硫S₈和放電產物Li₂S導電性近似絕緣體，導電性極差，如果作為活性物質需要復合大量導電材料方可工作，或是將其顆粒減小到納米級別或是分子級別。此外，其放電產物多硫離子易溶于電解液，充電時在導電劑表面沉積出不導電的單質硫或多硫化合物，增加了導電劑顆粒之間及導電劑和集流體之間的電阻。并且隨著充放電次數增加，電池內阻不斷上升，比能量逐漸下降，這是鋰-硫電池循環壽命短的主要原因。2)正極材料單質硫充放電過程的反應為多步驟反應，其中間產物Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄極易溶于電解液，溶解于電解質中的多硫離子還會在正、負極之間來回穿梭，造成充放電效率不高、自放電較大。如何將多硫離子盡量留在正極，并使其充放電時沉積的單質硫不影響正極的電子傳輸是改善鋰-硫電池循環壽命的關鍵。

采用傳統鋰硫電池工藝，具體如下：

將單質硫粉與多孔碳以重量比1∶1混合，在氬氣條件下155度，保溫24小時，所得材料作為正極活性物質，將其與乙炔黑和聚偏氟乙烯按照重量比8∶1∶1混合，涂覆在集流體鋁箔之上，60度真空10小時烘烤，得到正極電極。

采用標準扣式電池CR3032進行裝配，電解液采用1mol/L?LiTFSI溶解為TEGDME，以鋰片作為負極。

在C/10倍率恒流充放電，首周復合材料放電612mAh/g，但由于強烈的“穿梭效應”過充明顯，首周效率為137％，50周后比容量保持率只有51％。

發明內容

針對目前鋰硫電池存在的上述問題，本發明的目的在于，提出采用單質硫或堿金屬硫化合物為正極活性物質，采用使活性物質以液體或漿料形式流動循環起來的堿金屬-硫液流電池。

一種可充堿金屬-硫液流電池，所述電池包括正極室部分、隔膜和負極室部分，所述正極室部分包括正極反應室和與正極室管道連通的儲液罐，所述正極反應室包括，正極集電極和作為正極使用的在正極反應室和儲液罐之間循環的正極漿料；所述負極室部分為負極反應室，包括負極、負極集電極和負極電解液；所述隔膜為單離子導體膜，設置在所述正極反應室與負極反應室之間，并保證正負極之間只有單一工作離子傳導，而無其它非工作離子的任何物質傳輸；所述正極漿料由正極電解液和混合在正極電解液中的正極活性物構成，所述正極活性物質為MxSy(M＝Li或Na；0＜x≤2；0＜y≤12)中的一種或多種。

進一步，所述正極漿料中還包括正極導電物質；所述正極導電物質為碳材料：乙炔黑、石墨、石墨烯、多孔碳、碳納米管、碳纖維、氮摻雜的碳中一種或多種混合物構成。

進一步，所述正極導電物質的添加量為占正極電解液體積的0～50％，優選范圍：0％～30％。

進一步，所述正極反應室還包括設置在正極集電極上的正極導電物質，所述導電物質為碳材料：乙炔黑、石墨、石墨烯、多孔碳、碳納米管、碳纖維、氮摻雜的碳中一種或多種混合物構成。