[发明专利]一种液态或半液态金属电池的正极材料及应用

说明书

一种液态或半液态金属电池的Zn基正极材料及应用，属于储能电池的电极材料领域。本发明正极材料为金属Zn或者Zn与Sn、Bi、Sb、Pb、Te中的一种以上单质形成的Zn合金。液态的Zn或者Zn合金具有较高的放电电压，与现有的负极材料具有较高的匹配性，用于液态或半液态金属电池，在保持电池高容量、长寿命、易放大等优异特性的基础上，可有效减小电池充放电过程中的极化，提高电池的放电电压，进而提高电池的能量密度和能量效率。此外，金属Zn具有较低的熔点(419.5℃)、较低的电阻率(5.9×10supgt;‑4/supgt;Ωcm)，Zn合金制备工艺简单、成本低廉，将Zn或者Zn合金用作液态或半液态金属电池正极材料时，还可以提高正极材料的导电性，改善电池的倍率性能，减小电池原料成本。

技术领域

本发明属于储能电池的电极材料，具体涉及一种用于液态或半液态金属电池的正极材料，其能够用于解决液态或半液态金属电池工作电压低、能量密度低、原料成本高的问题。

背景技术

风能、太阳能等可再生能源具有资源丰富、清洁无污染等优点，其大力开发和利用可以有效缓解资源、能源和环境之间的矛盾。将高比例的可再生能源接入电网，建立高效率、低成本、环境友好的新型能源结构已成为电网发展的必然选择。然而，可再生能源发电(如风能、太阳能等)具有间歇性和波动性的特点，且受气候、温度等环境因素的影响，直接并入电网会对电网造成较大冲击，严重损害电网的安全性和可靠性。

大规模储能技术可以平抑可再生能源的间歇性和波动性，显著提高可再生能源的并网效率，保证电网的稳定性、可靠性和安全性，成为了建设智能电网、实现能源互联的关键技术。液态金属电池是一种新兴的大规模储能技术，以其成本低廉、循环寿命长、工作稳定性高等优势，备受储能领域关注。液态金属电池的本质是一类高温熔盐电池，在工作温度下，正、负极和熔盐电解质三者自动分层。在充放电过程中电极结构具有高的自愈性，不会因离子反复脱嵌产生电极变形、枝晶生长等电极微观结构退化等问题。此外，电池装配具有可扩展性，易规模放大，可以适配不同规模的电网。这些特性使得液态金属电池受到电化学储能领域的广泛关注，在未来智能电网储能领域具有广阔的应用前景。

自2012年美国麻省理工学院Sadoway教授团队提出“全液态金属电池”(LiquidMetal Battery)概念以来，该技术引起全球学界和产业界的广泛关注，许多液态金属电池的研究成果被陆续报道。研究学者们相继开发了Bi、Sb、Te等高性能正极材料，并通过有效的合金化策略，在正极中引入Sn、Pb、Ga等第二组元，实现了降低正极熔点、降低正极在熔盐电解质中的溶解度、提高电池能量密度、倍率性能等效果(Advanced Energy Materials 6(2016)1600483；Energy Storage Materials 14(2018)267–271；Journal of PowerSources 472(2020)228634)。然而，正极中添加的Sn、Pb、Ga等第二组元在电池充放电循环过程中并不会提供容量，仅起到惰性溶剂的作用，这大大降低了电池的能量密度，使得应用Sb基和Bi基正极材料的电池能量密度低于260Wh kg^-1(基于正负极材料)。对于Te基正极材料，其高达1.6V的放电电压，使其具有495Wh kg^-1的高能量密度，但Te在熔盐电解质中较高的溶解度使得电池存在自放电率较大、库仑效率低、循环稳定性差等诸多不足。基于上述分析，目前已报道的正极材料在能量密度或循环寿命方面，难以满足大规模储能的需求，严重制约了液态或半液态金属电池的发展及应用。因而，开发新型高电压、高能量密度、优良循环性能的正极材料，对于液态或半液态金属电池在储能领域的实际应用，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种用于液态或半液态金属电池的正极材料，将其应用于储能电池后，可以解决现有液态或半液态金属电池工作电压低、能量密度低、原料成本高等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明一方面提供了一种用于液态或半液态金属电池的正极材料，其特征在于：