[发明专利]一种大容量锂硫液流电池及其电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于电池领域，特别涉及一种大容量锂硫液流电池及其电极的制备方法。

背景技术

硫不溶于水但溶于非极性溶剂如二硫化碳、四氯化碳、环己烷等，晶体的硫可以组成一个由八个原子组成的环：S₈。S₈得到电子后可形成聚硫离子如S₈^2-、S₆^2-、S₄^2-，这些聚硫离子可以溶解在有机溶剂中如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、二甲氧基乙烷（DME）、1,3-二氧戊环（DOL）等。

液流电池是一种储能电池，最具有代表性的是全钒液流电池。由电解质溶液，碳素材料电极，双极板和离子交换膜等部件构成。通过流体输送设备使电解液在电堆与储槽之间循环流动，在充电/放电过程中完成不同价态的钒离子相互转化与电能的储存与释放。电极反应为：正极：VO₂⁺+2H⁺+e=VO²⁺+H₂O，E⁰=1.00V；负极：V³⁺+e=V²⁺，E⁰=-0.26V；电池总反应VO₂⁺+V²⁺+2H⁺=VO²⁺+V³⁺+H₂O，E⁰=1.26V。

全钒液流电池具有以下特点：1、规模大：全钒液流电池的输出功率和储能容量彼此独立。通过改变储槽中电解液数量，能够满足太规模蓄电储能需求；通过调整电池堆中单电池的串连数量和电极面积，能够满足额定放电功率要求。2、寿命长：电池正负极反应均在液相中完成，充电／放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态.没有外界离子参与电化学反应。电极只起转移电子作用.本身不参与电化学反应，理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，极大延长电池的使用寿命。3、成本低：在电池关键材料制备方面，如质子交换膜、导电双极板等电池关键材料。通过实现国产化进行大规模、低成本生产。全钒液流电池避免使用贵金属催化剂，成本远远低于燃料电池等化学电源，适合于几十千瓦～数兆瓦规模场合使用。4、效率高：由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解波保存过程的自放电消耗，经过优化的电池系统充放电能量效率高达80％。

传统锂离子液流电池主要由电池反应器、正极悬浮液存储罐、负极悬浮液存储罐、液泵及密封管道等组成，正极悬浮液存储罐盛放正极活性材料颗粒、导电剂和电解液的混合物，负极悬浮液存储罐盛放负极活性材料颗粒、导电剂和电解液的混合物。电池反应器是锂离子液流电池的核心，其结构主要包括：正极集流体、正极反应腔、多孔隔膜、负极反应腔、负极集流体和外壳。锂离子液流电池工作时使用液泵对悬浮液进行循环，悬浮液在液泵或其他动力推动下通过密封管道在悬浮液存储罐和电池反应器之间连续流动或间歇流动，流速可根据悬浮液浓度和环境温度进行调节。

通常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。当电池放电时，负极反应腔中的负极活性材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出，进入电解液，并通过多孔隔膜到达正极反应腔，嵌入到正极活性材料颗粒内部；与此同时，负极反应腔中的负极活性材料颗粒内部的电子流入负极集流体，并通过负极集流体的负极极耳流入电池的外部回路，完成做功后通过正极极耳流入正极集流体，最后嵌入正极反应腔中的正极活性材料颗粒内部。电池充电的过程与之相反。传统的负极活性材料为石墨粉，正极活性材料为钴酸锂《电工电能新技术，第31卷第3期》。

CN102324550提出了一种半液流锂硫电池的设计制备方法，其特征在于：所述的半液流锂硫电池是以锂的微粒或Si基材料、钛酸锂及Sn基材料和电解液的混合液为阴极，以单质硫、单质硫复合物、硫基化合物、无机硫、有机硫等的微粒和电解液的混合液为阳极。