[发明专利]一种可充碱金属-硫液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学电池。特别涉及一种碱金属-硫液流电池。

背景技术

自锂离子电池研制成功以来，由于其具有安全性好、电压和比能量高、充放电寿命长等优点，因而广泛用于手机、笔记本电脑和摄像机等便携式电器。随着电子设备小型化和便携化，以及绿色环保的电动汽车的出现和蓬勃发展，使得作为能量及动力来源的锂离子电池提出了更高的要求。如何在现有基础上进一步提高锂离子电池的比容量以及大倍率下放电性能，已成为当前热点问题。此外，如何提高采用锂离子电池动力系统的电子及动力设备对温度的适应性，使其能在更加苛刻的室外环境中正常运转或工作也是当前急需解决的问题。而作为锂离子电池重要组成部分的正极材料又是决定锂离子电池以上性能的关键制约因素。

目前商业化运用的锂离子电池正极材料主要是集中在过渡金属嵌锂氧化物，包括钴、铁、镍、锰的氧化物及其掺杂化合物，但是此类化合物受自身理论容量的限制最多提高到300Wh/Kg的能量密度，且由于此种材料均为固体，充放电过程中离子受扩散控制，因而倍率性能提升困难且空间不大，此外由于锂离子在其中扩散过程受温度变化影响较大，使锂离子电池温度使用范围十分有限。锂硫电池由于其高的能量密度(S₈1675mAh/g)，理论能量密度可达2800Wh/kg，被认为是未来锂离子电池发展的方向，但是由于该体系存在较大技术难关，目前仍然处于实验室阶段。其存在的主要问题是：1)充电产物单质硫S₈和放电产物Li₂S导电性近似绝缘体，导电性极差，如果作为活性物质需要复合大量导电材料方可工作，或是将其颗粒减小到纳米级别或是分子级别。此外，其放电产物多硫离子易溶于电解液，充电时在导电剂表面沉积出不导电的单质硫或多硫化合物，增加了导电剂颗粒之间及导电剂和集流体之间的电阻。并且随着充放电次数增加，电池内阻不断上升，比能量逐渐下降，这是锂-硫电池循环寿命短的主要原因。2)正极材料单质硫充放电过程的反应为多步骤反应，其中间产物Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄极易溶于电解液，溶解于电解质中的多硫离子还会在正、负极之间来回穿梭，造成充放电效率不高、自放电较大。如何将多硫离子尽量留在正极，并使其充放电时沉积的单质硫不影响正极的电子传输是改善锂-硫电池循环寿命的关键。

采用传统锂硫电池工艺，具体如下：

将单质硫粉与多孔碳以重量比1∶1混合，在氩气条件下155度，保温24小时，所得材料作为正极活性物质，将其与乙炔黑和聚偏氟乙烯按照重量比8∶1∶1混合，涂覆在集流体铝箔之上，60度真空10小时烘烤，得到正极电极。

采用标准扣式电池CR3032进行装配，电解液采用1mol/L LiTFSI溶解为TEGDME，以锂片作为负极。

在C/10倍率恒流充放电，首周复合材料放电612mAh/g，但由于强烈的“穿梭效应”过充明显，首周效率为137％，50周后比容量保持率只有51％。

发明内容

针对目前锂硫电池存在的上述问题，本发明的目的在于，提出采用单质硫或碱金属硫化合物为正极活性物质，采用使活性物质以液体或浆料形式流动循环起来的碱金属-硫液流电池。

一种可充碱金属-硫液流电池，所述电池包括正极室部分、隔膜和负极室部分，所述正极室部分包括正极反应室和与正极室管道连通的储液罐，所述正极反应室包括，正极集电极和作为正极使用的在正极反应室和储液罐之间循环的正极浆料；所述负极室部分为负极反应室，包括负极、负极集电极和负极电解液；所述隔膜为单离子导体膜，设置在所述正极反应室与负极反应室之间，并保证正负极之间只有单一工作离子传导，而无其它非工作离子的任何物质传输；所述正极浆料由正极电解液和混合在正极电解液中的正极活性物构成，所述正极活性物质为MxSy(M＝Li或Na；0＜x≤2；0＜y≤12)中的一种或多种。

进一步，所述正极浆料中还包括正极导电物质；所述正极导电物质为碳材料：乙炔黑、石墨、石墨烯、多孔碳、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂的碳中一种或多种混合物构成。

进一步，所述正极导电物质的添加量为占正极电解液体积的0～50％，优选范围：0％～30％。

进一步，所述正极反应室还包括设置在正极集电极上的正极导电物质，所述导电物质为碳材料：乙炔黑、石墨、石墨烯、多孔碳、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂的碳中一种或多种混合物构成。