[发明专利]一种复合电极活性颗粒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于化学储能电池领域，尤其涉及一种复合电极活性颗粒及其制备方法和利用该复合电极活性颗粒的电极悬浮液和锂离子液流电池。

背景技术

锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学电池技术，它综合了锂离子电池和液流电池的优点，是一种输出功率和储能容量彼此独立、能量密度大，成本较低的新型可充电电池。锂离子液流电池在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、市政交通等方面具有非常广阔的市场前景。

锂离子液流电池由正极悬浮液池、负极悬浮液池、电池反应器、密封管道、液泵或其它动力装置组成。其中，正极悬浮液池盛放正极活性材料颗粒、导电剂颗粒和电解液的混合物，负极悬浮液池盛放负极活性材料颗粒、导电剂颗粒和电解液的混合物。锂离子液流电池工作时，电极悬浮液在液泵或其它动力推动下通过密封管道在电极悬浮液池和电池反应器之间流动，流速可根据悬浮液浓度和环境温度进行调节。其中，正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正极反应腔，完成反应后由正极出液口通过密封管道返回正极悬浮液池。与此同时，负极悬浮液由负极进液口进入电池反应器的负极反应腔，完成反应后由负极出液口通过密封管道返回负极悬浮液池。正极反应腔与负极反应腔之间有电子不导电的多孔隔膜，将正极悬浮液中的正极活性材料颗粒和负极悬浮液中的负极活性材料颗粒相互隔开，避免正负极活性材料颗粒直接接触导致电池内部的短路。正极反应腔内的正极悬浮液和负极反应腔内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜中的电解液进行锂离子交换传输。

现有的电极悬浮液中包含的导电剂颗粒平均粒径小、密度低，因此细小的导电剂颗粒很可能穿越隔膜的孔隙，造成电池短路，引发电池的安全性事故。同时，电极活性材料颗粒的密度一般都比较大，在悬浮液中很容易发生沉降，滞留在电池反应器中，使电极悬浮液中的电极活性材料失去活性，从而影响锂离子液流电池的充放电容量和效率。

发明内容

为解决锂离子液流电池存在的上述问题，本发明提供一种复合电极活性颗粒及其制备方法，并应用于电极悬浮液和锂离子液流电池。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种复合电极活性颗粒由低密度聚合物胶粘剂、导电材料以及可脱嵌锂的电极活性颗粒组成。导电材料分散于聚合物胶粘剂中，可脱嵌锂的电极活性颗粒也分散于聚合物胶粘剂中或附着于聚合物胶粘剂的表面。

上述复合电极活性颗粒中，聚合物胶粘剂：导电材料：可脱嵌锂的电极活性颗粒的质量比为5%～40%：1%～30%：40%～94%。上述复合电极活性颗粒的平均粒径大于1微米。

上述可脱嵌锂的电极活性颗粒可以是正极活性颗粒，也可以是负极活性颗粒。上述可脱嵌锂的电极活性颗粒为正极活性颗粒时，复合电极活性颗粒为复合正极活性颗粒；上述可脱嵌锂的电极活性颗粒为负极活性颗粒时，复合电极活性颗粒为复合负极活性颗粒。

上述正极活性颗粒为磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍锰钴氧化物以及其它可脱嵌锂化合物的一种或几种混合物。

上述负极活性颗粒为可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钒氧化物、锂钛氧化物、碳材料的一种或几种混合物。

上述聚合物胶粘剂为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-四氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚氧化乙烯中的一种或几种混合物，或为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯、聚双炔中的一种或几种混合物。

上述导电材料选自无定形碳、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种混合物。

本发明提供一种复合电极活性颗粒的制备方法，其步骤如下：

a)将聚合物胶粘剂溶解于溶剂中形成聚合物溶液，将一定量的导电材料加入到聚合物溶液中，导电材料的质量为聚合物胶粘剂质量的10%～90%，充分搅拌，使导电材料均匀分散于聚合物溶液中；

b)将一定量的电极活性颗粒加入上述聚合物溶液中，电极活性颗粒的质量为聚合物胶粘剂质量的1～18倍，充分搅拌后，在60~200℃范围内烘干，得到复合电极材料混合物；

c)将制得的复合电极材料混合物采用气流粉碎分级，或者，将复合电极材料混合物放入水中，强力搅拌打碎，然后采用水力分级法分级，得到平均粒径大于1微米的复合电极活性颗粒。

上述步骤a)中的溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙烯酰胺、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜、去离子水、乙醇。