[發(fā)明專利]一種水系堿金屬離子電化學(xué)儲能器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310135859.9
• 申請日: 2013-04-18
• 公開（公告）號: CN103259009B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方淳;袁超群;戴翔;黃云輝;張五星;蔣妍
• 申請（專利權(quán)）人: 恩力能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/505
• 分類號: H01M4/505;H01M4/485;H01M4/525
• 代理公司: 北京弘權(quán)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11363
• 代理人: 郭放;許偉群

本發(fā)明涉及一種水系堿金屬離子電化學(xué)儲能器件。本發(fā)明的一種水系電化學(xué)儲能器件，包括正極、負(fù)極、隔膜和含堿金屬離子的水相電解液，其特征在于，該正極的活性材料為具有通式xA₂MnO₃·(1?x)AMO₂的富堿金屬錳基固溶體或復(fù)合物，其中A選自Li、Na和K中的一種或多種；M選自過渡金屬Mn、Ni、Co、Cr、Al、Ru和Fe中的一種或多種；0≤x≤1，所述正極的活性材料之富堿金屬錳基固溶體或復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)含有層狀結(jié)構(gòu)或尖晶石結(jié)構(gòu)；所述電解液為含鈉或鉀鹽的水溶液；所述正極材料在所述電解液中可進(jìn)行穩(wěn)定的充放電循環(huán)。本發(fā)明的水系堿金屬電化學(xué)儲能器件，容量高、成本低、安全環(huán)保，可以用在各種規(guī)模的儲能裝置中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水系堿金屬離子電化學(xué)儲能器件。

背景技術(shù)

隨著科技、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，能源和環(huán)境問題越來越受到關(guān)注，能源方面需求持續(xù)暴漲，化石能源的短缺和對環(huán)境造成的破壞使關(guān)注點轉(zhuǎn)向了風(fēng)能、太陽能這些可再生資源，然而這些可再生能源受天氣及時間段的影響較大，具有明顯的不穩(wěn)定、不連續(xù)和不可控等特點，需要開發(fā)和建設(shè)配套的電能儲存（儲能）裝置來保證發(fā)電、供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因此，大規(guī)模儲能技術(shù)是大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。在所有的儲能技術(shù)中，電池可以實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的高效轉(zhuǎn)換，是一種最佳的能量儲存技術(shù)。二次可充電池是目前使用最廣泛的一種儲能方式。與其它儲能方式相比，電化學(xué)儲能能夠適應(yīng)不同的電網(wǎng)功能需要，在風(fēng)電、光電等的集成并網(wǎng)方面尤其具有優(yōu)勢。對于可充電池儲能技術(shù)的推廣方面來說，存在這兩大挑戰(zhàn)。第一是開發(fā)具有高電壓和高能量的電池系統(tǒng)，第二是使用成本低、穩(wěn)定、對環(huán)境完全友好、長壽命的電池體系，以保證源源不斷的電能從可再生清潔能源中整合到電網(wǎng)中。

目前，用于大型電網(wǎng)儲能的方式，在實際布建的案例中，還是以傳統(tǒng)的鉛酸電池為主。鉛酸電池成本低、但是壽命短、鉛和濃硫酸等主要材料對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，需要回收。因此，迫切需要找到一種可以替代鉛酸電池的新技術(shù)。

近二十年來，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展日益成熟，由于其能量密度大，輸出電壓高，使得鋰離子電池在不同領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了迅猛發(fā)展。但是由于鋰離子電池使用有機(jī)溶劑作為電解液，由此造成了制造成本偏高以及在使用中有易燃易爆的安全隱患。中國專利授權(quán)公告號CN1328818C公開了一種混合型水系鋰離子電池。其工作原理是：對裝成的電池，首先必須進(jìn)行充電。充電過程中，鋰離子從正極脫出，通過電解液，鋰離子吸附在活性碳等材料做成的負(fù)極。放電過程中，鋰離子從負(fù)極上脫附，通過電解液，鋰離子嵌入正極。充放電過程僅涉及鋰離子在兩電極間的轉(zhuǎn)移。該混合型水系鋰離子電池的正極材料采用LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂、LiMg_0.2Mn_1.8O₄等能夠可逆的嵌入脫出鋰離子的材料，負(fù)極則采用比表面積在1000m²/g以上的活性炭、介孔碳或碳納米管等。

另外，隨著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，鋰的需求量會越來越大，由于地殼中有限的儲量，導(dǎo)致鋰材料的價格會越來越高。近年來人們開始關(guān)注用更為廉價的堿金屬如鈉，鉀甚至是堿土金屬鎂來取代鋰用于儲能器件。鈉在地殼中的儲量非常豐富，約占2.74%，為第六豐富元素，分布廣泛，含鈉的原料價格較低；以及和鋰相似的電化學(xué)性質(zhì)，鈉基的電池漸漸成為了鋰離子電池的替代選擇。

早期研究的基于鈉金屬的鈉硫和Na/NiCl2電池，雖然具有較為理想的能量密度，但是要用到熔融態(tài)的鈉作為負(fù)極，運行溫度在300～350℃之間，因此需要配套使用高額的熱管理體系和特殊的陶瓷固體電解質(zhì)。另外如果陶瓷固體電解質(zhì)一旦破損形成短路，高溫的液態(tài)鉀和硫就會直接接觸，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生2000℃的高溫，有較大的安全隱患。基于這些背景和原因，室溫鈉離子電池又成為人們的研究熱點。