[發明專利]一種高能量密度的液態金屬電池

有效

• 申請號: 201710541086.2
• 申請日: 2017-07-05
• 公開（公告）號: CN107221677B
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 李平;趙汪;劉志偉;安富強;曲選輝;秦明禮
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/64
• 分類號: H01M4/64;H01M4/38;H01M10/0563;H01M2/02;H01M4/66
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種高能量密度的液態金屬電池，屬于儲能電池技術領域。該電池包括殼體、正極、電解質、負極、集流體，正極材料為鉛、錫、銻、鉍、碲中的兩種或三種組成的合金，負極材料為Li單質、Na單質、K單質、Ca?Mg合金或Ba?Mg合金，電解質為無機鹽混合物。本發明所涉及的正極材料，配合相應比例的負極材料組裝成液態金屬電池，電池能量密度高于200Wh/kg，同時運行溫度低于500℃。本發明既充分保留了液態金屬電池成本低、容量高、壽命長等優勢，還結合鉛、錫、銻、鉍、碲等正極材料各自在電位、熔點等方面的優勢，使得液態金屬電池具有高的能量密度和低的運行溫度。

技術領域

本發明涉及儲能電池技術領域，特別是指一種高能量密度的液態金屬電池。

背景技術

為了應對能源危機和日益增長的環境壓力，世界各國在太陽能、風能等可再生能源的開發和利用上投入了大量人力和物力，全球可再生能源的發電容量在逐年遞增。然而，風電和光伏發電都具有不連續和不穩定的特點，將其并入現有電網達到一定的比例時，這種不穩定因素可能對局部電網造成巨大沖擊甚至引發惡性事故。儲能技術是消除可再生能源大規模開發利用瓶頸的關鍵技術，可提高風電和光伏發電的利用效率，同時，也可改善電力供需矛盾，平抑電網峰谷差，提高傳統發電效率，提高電網安全性和穩定性。儲能技術是智能電網的必要組成部分。

電化學儲能具有能量密度高、響應時間快，維護成本低、安裝靈活方便等特點，成為儲能技術的熱點發展方向。目前，主要的電化學儲能技術有鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池等。然而鉛酸電池循環壽命較短，鈉硫電池尚未解決高溫運行條件下的安全問題和電解質的高成本問題，鋰離子電池和液流電池成本也較高，且液流電池還面臨電解液、隔膜材料等關鍵技術問題。為提高儲能電池壽命并降低成本，美國麻省理工學院的Donald R.Sadoway教授提出液態金屬電池應用于電網大規模儲能的新概念。液態金屬電池的基本特征是：電池在300℃～700℃運行，正負極金屬和無機鹽電解質均為液態，電解質、正極和負極密度不同且互不相溶，液態物質自動分為三層。該電池結構簡單、易放大、高倍率充放電性能好、循環壽命長，是一種很有潛力的大規模儲能技術。

近年來，多位學者相繼報道了多種液態金屬電池的研究成果，包括Li||Sb-Pb、Li||Bi、Li||Sb-Sn、Ca–Mg||Bi等，這些電池均具有成本低、循環壽命長、高倍率充放電性能優良等特點，但其能量密度均較低，上述報道的最高值為200.4Wh/kg，而Ca–Mg||Bi電池運行溫度高達650℃，能量密度僅為45.0Wh/kg。較低的能量密度和較高的運行溫度不利于液態金屬電池的大規模應用。提高電池能量密度、降低電池運行溫度需要同時優化正極材料成分和正負極材料比例。(Li H,Wang K,Cheng S,et al.High Performance Liquid MetalBattery with Environmentally Friendly Antimony–Tin Positive Electrode[J].ACSapplied materialsinterfaces,2016,8(20):12830-12835.Ouchi T,Kim H,Spatocco BL,et al.Calcium-based multi-element chemistry for grid-scale electrochemicalenergy storage[J].Nature communications,2016,7.)

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種高能量密度的液態金屬電池，解決現有液態金屬電池能量密度低、運行溫度高等問題。

該電池包括殼體、正極、電解質和負極，殼體內自下而上依序置正極、電解質和負極，其中，負極由吸附有負極材料的集流體構成，與集流體連接的負極引線穿過殼體頂部的中心孔并與殼體通過絕緣玻璃密封；

正極材料為Pb、Sn、Sb、Bi、Te中的兩種或三種組成的合金；