[發明專利]一種鋰-硫半液流電池

有效

• 申請號: 201910880904.0
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110571500B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 張義永;張英杰;李雪;董鵬;孟奇
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01M12/08
• 分類號: H01M12/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種鋰?硫半液流電池，包括液流硫正極區、鋰金屬負極區、隔膜；液流硫正極區包括工作電極、多硫化鋰陰極電解液；工作電極包括活性材料、導電劑、粘結劑和集流體；活性材料為Ni/C復合材料、Pt/C復合材料或Ptsubgt;3/subgt;Ni/C復合材料；多硫化鋰陰極電解液由多硫化鋰溶于鋰硫電解液中組成；鋰金屬負極區包括鋰金屬負極、鋰硫電解液，鋰金屬負極為鋰金屬或鋰金屬合金；隔膜為單離子膜；本發明的鋰?硫半液流電池，由于同時具有高能量密度、高功率密度和長壽命，不僅可作為電動汽車或混合電動車等各種機器的電源，還可以作為電網大規模儲能裝置而廣泛利用。

技術領域

本發明涉及電化學能源領域，尤其涉及一種高能量密度、高功率密度和長循環壽命的鋰-硫半液流電池。

背景技術

近幾十年來，太陽能、潮汐能和風能的使用已經增加，并且低二氧化碳排放量的電動車一直在推廣發展中。因此，為了有效利用可再生能源，開發高性能、安全、廉價且環境友好的能量轉換和存儲系統勢在必行。這些儲能系統中發展比較好的是鋰離子電池和超級電容器。鋰離子電池是用于存儲電能的常見電化學裝置。然而，盡管鋰離子電池取得了商業上的成功，但它們無法滿足電動工具、電動汽車和可再生能源的高效存儲設備等應用所需的高功率需求。相比之下，超級電容器除了提供比傳統介電電容器更高的能量密度之外，還表現出應用于大功率的系統的前景，因為它們能瞬間提供比電池更高的功率密度。然而，超級電容器的能量密度仍然不足以滿足需要高能量和高功率密度的新型應用。

為了克服這些缺點，對鋰離子電池的研究集中于電極材料改善，例如，使用硅負極和富鋰正極。然而，這些材料自身存在若干缺陷，包括低的首圈庫侖效率、不令人滿意的倍率性能、差的循環壽命、差的熱特性和明顯的電壓衰減。事實上，已經證明替代電池系統，例如鋰空氣電池，鋰硫電池和鈉/鎂離子電池，在能量/功率密度、安全性和成本方面優于鋰離子電池。然而，這些系統也存在各自的缺點。如鋰硫電池在充放電過程中，由于其中間體的溶解穿梭，造成電池活性物質利用率下降和循環壽命縮短；同時，由于活性物質硫和硫化鋰的導電性差，導致了電池的倍率性能較差，為了改善導電性，需要添加大量的導電添加劑，導致了活性物質的含量降低，從而使電池的體積能量密度較低及難以發揮鋰硫電池的高能量密度。因此，為了解決這些問題，最近提出了一類新的鋰-硫液流電池系統。此系統包括使用具有電催化活性的工作電極、多硫化鋰陰極電解液、隔膜以及包括鋰金屬負極和常規鋰硫電解液的負極區。雖然此鋰-硫半液流電池擁有高的能量密度和功率密度，但是必須解決工作電極的催化活性和穩定性問題，以及隔膜的選擇性，才能實現其商業應用。

發明內容

本發明提供一種高能量密度、高功率密度和長壽命的鋰-硫半液流電池，包括液流硫正極區、鋰金屬負極區、隔膜。

所述液流硫正極區包括工作電極、多硫化鋰陰極電解液。

所述工作電極包括能催化多硫化鋰轉化的活性材料、導電劑、粘結劑和集流體；所述能催化多硫化鋰轉化的活性材料、導電劑和粘結劑的質量比為8:1:1；所述導電劑和粘結劑為商業化電池常用產品，優選Super?p作導電劑、優選聚偏二氟乙烯(PVDF)作粘結劑；所述集流體為鋁箔、不銹鋼網和碳紙等常用集流體中的一種或自支撐，優選不銹鋼網。

所述能催化多硫化鋰轉化的活性材料為Ni/C復合材料、Pt/C復合材料、Pt₃Ni/C復合材料等負載Ni、Pt、Pt₃Ni的導電載體。

所述多硫化鋰陰極電解液由多硫化鋰溶于鋰硫電解液中組成，多硫化鋰的濃度為0.1mol/L～2mol/L，優選1mol/L；鋰硫電解液的溶劑為分子式為R(CH₂CH₂O)n-R'的多醚類，其中，n=1-6，R和R'為甲基或乙基，溶質為二氟草酸硼酸鋰、雙三氟甲基磺酰亞胺鋰、雙氟磺酰亞胺鋰、二氟磷酸鋰或六氟磷酸鋰，鋰硫電解液的濃度為1mol/L。