[發明專利]一種鈉硫電池及其隔膜的制備方法

有效

• 申請號: 201510027574.2
• 申請日: 2015-01-20
• 公開（公告）號: CN104610569B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 賀繁;劉賓虹;李洲鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C08J9/42
• 分類號: C08J9/42;C08L23/12;C08G81/02;H01M2/14;H01M2/16;H01M10/39;H01M10/38
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司33212
• 代理人: 周世駿

技術領域

本發明是關于電池領域，特別涉及一種常溫工作，使用凝膠電解質的鈉硫電池及其制備方法。

背景技術

鈉硫電池是儲能電池的一種。傳統鈉硫電池以金屬鈉Na和單質硫S與碳C的復合物分別用作負極和正極的活性物質，Beta—氧化鋁，即β-Al₂O₃陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。鈉硫電池放電時負極反應為鈉失去電子變為鈉離子，正極反應為硫與鈉離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鈉硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鈉硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程。根據單位質量的單質硫完全變為S^2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質量比容量為1675mAhg^-1。鈉硫電池的化學反應式如下：2Na+xS＝Na₂S_x。

傳統鈉硫電池在300℃工作溫度下，在放電的初始階段硫含量為100％～78％，正極由液態硫與液態的Na₂S_3.2形成非共溶液相，電池的電動勢約為2.076V；當放電至Na₂S₃出現時，電池的電動勢降至1.78V；當放電至Na₂S_2.7出現時，對應的電動勢降至1.74V，直至液相消失。

鈉硫電池主要有以下幾個特點：1、理論能量密度高達760Wh kg^-1。實際比能量高，可有效減低儲能系統的體積和重量，適合于大容量、大功率設備的應用；2、能量轉化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％；3、無電化學副反應，無自放電，使用壽命長，可達15年以上；4、鈉硫電池的運行溫度被恒定在300～350℃，因此其使用條件不受外界環境溫度的限制，且系統的溫度穩定性好；5、具有高的功率特性，經大電流及深度放電而不損壞電池；具有納秒級的瞬時速度，系統數毫秒以內，適合應用于各類備用和應急電站；6、原材料資源豐富，價格低，無污染，適合規模化推廣應用。然而鈉硫電池存在問題：(1)工作溫度高；(2)不適于間歇工作，高低溫的不斷切換易造成電堆的泄漏，材料疲勞損壞；(3)相對液流電池規模不能太大等問題。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種新型鈉硫電池及其隔膜的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明的解決方案是：

提供一種用于鈉硫電池的改性微孔聚丙烯隔膜的制備方法，包括以下步驟：

在60℃下，將0.07g的PEO改性Na⁺型全氟磺酸樹脂粉末溶于2g N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，攪拌均勻后，取0.5ml滴到直徑為19mm的微孔聚丙烯隔膜(市販，如Celgard隔膜有限公司生產的Celgard 2000)上，60℃下真空干燥12小時得到改性微孔聚丙烯隔膜；

所述PEO改性Na⁺型全氟磺酸樹脂粉末的制備方法：取10g NaOH加入至100ml的20wt％全氟磺酸樹脂(產自杜邦公司)溶液中，攪拌30分鐘后，離心分離掉過剩的NaOH，得到Na⁺型全氟磺酸樹脂溶液；取Na⁺型全氟磺酸樹脂溶液100ml，加入2g的分子量為500,000g/mol聚氧化乙烯(市販)和50ml去離子水，攪拌1小時，得到PEO改性Na⁺型全氟磺酸樹脂溶液；噴霧干燥后，得到PEO改性Na⁺型全氟磺酸樹脂粉末。

本發明進一步提供了利用前述改性微孔聚丙烯隔膜的鈉硫電池，包括正極、負極、電解液和隔膜，所述隔膜是改性微孔聚丙烯隔膜，負極是鈉金屬片，正極由正極材料涂覆鋁膜形成，正極的正極材料側與隔膜相向且與負極形成三明治結構；

所述正極材料的制備方法：將單質硫與碳材料按質量比為7∶3機械混合均勻，置于316不銹鋼材質的反應器內，然后將反應器抽真空后加熱至80℃，反應5～10小時后完成硫的擔載，再將反應產物冷卻至10～30℃，即制得正極材料；所述碳材料為催化劑碳載體(市販，如美國卡博特公司生產的牌號為Vulcan XC-72，BP2000和SP)；