[发明专利]一种高能量密度的液态金属电池

说明书

本发明提供一种高能量密度的液态金属电池，属于储能电池技术领域。该电池包括壳体、正极、电解质、负极、集流体，正极材料为铅、锡、锑、铋、碲中的两种或三种组成的合金，负极材料为Li单质、Na单质、K单质、Ca‑Mg合金或Ba‑Mg合金，电解质为无机盐混合物。本发明所涉及的正极材料，配合相应比例的负极材料组装成液态金属电池，电池能量密度高于200Wh/kg，同时运行温度低于500℃。本发明既充分保留了液态金属电池成本低、容量高、寿命长等优势，还结合铅、锡、锑、铋、碲等正极材料各自在电位、熔点等方面的优势，使得液态金属电池具有高的能量密度和低的运行温度。

技术领域

本发明涉及储能电池技术领域，特别是指一种高能量密度的液态金属电池。

背景技术

为了应对能源危机和日益增长的环境压力，世界各国在太阳能、风能等可再生能源的开发和利用上投入了大量人力和物力，全球可再生能源的发电容量在逐年递增。然而，风电和光伏发电都具有不连续和不稳定的特点，将其并入现有电网达到一定的比例时，这种不稳定因素可能对局部电网造成巨大冲击甚至引发恶性事故。储能技术是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术，可提高风电和光伏发电的利用效率，同时，也可改善电力供需矛盾，平抑电网峰谷差，提高传统发电效率，提高电网安全性和稳定性。储能技术是智能电网的必要组成部分。

电化学储能具有能量密度高、响应时间快，维护成本低、安装灵活方便等特点，成为储能技术的热点发展方向。目前，主要的电化学储能技术有铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池等。然而铅酸电池循环寿命较短，钠硫电池尚未解决高温运行条件下的安全问题和电解质的高成本问题，锂离子电池和液流电池成本也较高，且液流电池还面临电解液、隔膜材料等关键技术问题。为提高储能电池寿命并降低成本，美国麻省理工学院的Donald R.Sadoway教授提出液态金属电池应用于电网大规模储能的新概念。液态金属电池的基本特征是：电池在300℃～700℃运行，正负极金属和无机盐电解质均为液态，电解质、正极和负极密度不同且互不相溶，液态物质自动分为三层。该电池结构简单、易放大、高倍率充放电性能好、循环寿命长，是一种很有潜力的大规模储能技术。

近年来，多位学者相继报道了多种液态金属电池的研究成果，包括Li||Sb-Pb、Li||Bi、Li||Sb-Sn、Ca–Mg||Bi等，这些电池均具有成本低、循环寿命长、高倍率充放电性能优良等特点，但其能量密度均较低，上述报道的最高值为200.4Wh/kg，而Ca–Mg||Bi电池运行温度高达650℃，能量密度仅为45.0Wh/kg。较低的能量密度和较高的运行温度不利于液态金属电池的大规模应用。提高电池能量密度、降低电池运行温度需要同时优化正极材料成分和正负极材料比例。(Li H,Wang K,Cheng S,et al.High Performance Liquid MetalBattery with Environmentally Friendly Antimony–Tin Positive Electrode[J].ACSapplied materialsinterfaces,2016,8(20):12830-12835.Ouchi T,Kim H,Spatocco BL,et al.Calcium-based multi-element chemistry for grid-scale electrochemicalenergy storage[J].Nature communications,2016,7.)

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高能量密度的液态金属电池，解决现有液态金属电池能量密度低、运行温度高等问题。

该电池包括壳体、正极、电解质和负极，壳体内自下而上依序置正极、电解质和负极，其中，负极由吸附有负极材料的集流体构成，与集流体连接的负极引线穿过壳体顶部的中心孔并与壳体通过绝缘玻璃密封；

正极材料为Pb、Sn、Sb、Bi、Te中的两种或三种组成的合金；