[发明专利]一种液态或半液态金属电池的正极材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种液态或半液态金属电池的正极材料及制备方法和应用，属于储能电池的电极材料领域。本发明采用金属Ga或Ga与Sb、Bi、Sn、Pb中的一种或一种以上单质形成的Ga合金作为正极材料，可以与现有的负极材料(Li、Na、K、Ca、Mg)进行合金化，具有良好的电化学性能。金属Ga熔点极低(29.8℃)，Ga合金制备工艺简单，将Ga或Ga合金用于液态或半液态金属电池，在保持液态或半液态金属电池容量高、寿命长等优势的基础上，还可以降低电池的工作温度，减小电池的极化，提高或稳定电池放电电压，改善电池在大电流密度下的充放电性能。

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及制备方法，其能够用于解决液态或半液态金属电池大电流密度下工作电压低和能量效率低的问题。

背景技术

风能、太阳能等可再生能源技术的快速发展和利用有效缓解了化石燃料燃烧带来的环境恶化等问题，但可再生能源仍存在时间和空间上的间歇性以及并入电网的效率低等问题。大规模高效储能技术将显著提高间歇式可再生能源的并网效率和可靠性，并保证电网的稳定性、可靠性和安全性。在各类储能技术中，液态金属电池以其低成本、长循环寿命而成为规模化储能技术中的非常有发展前途的技术之一。

液态金属电池是一类高温熔盐电池，工作温度为300-700℃，其具有解决可再生能源间歇性和并网效率低等问题的潜力。液态金属电池由熔融态的金属正、负极和熔盐电解质组成，由于密度的差异及彼此的不混溶性，三者自动分层。全液态的独特设计不仅可以避免充放电过程中电极内部微观结构的退化，还可以使液态金属电池在较高的电流密度下工作，从而实现超长的循环寿命和优异的倍率性能。此外，液态金属电池还具有易放大等优点，使其成为一种极具潜力的大规模储能技术。

自2012年，美国麻省理工学院D.R.Sadoway教授团队提出“全液态金属电池”(Liquid Metal Battery)以来，许多液态金属电池的研究成果被陆续报道，包括Li||Sb-Sn、Li||Sb-Pb等。这些体系均具有成本低廉、库伦效率高、循环寿命长等优点，但其在大电流密度下充放电极化大，放电电压低，影响其在大电流密度下能量效率和能量密度的发挥。在上述报道中，Li||Sb-Sn体系在1000mAcm^-2电流密度下放电电压仅为0.3V，Li||Sb-Pb体系在1000mAcm^-2电流密度下放电电压也仅有0.4V。在大电流密度下较低的放电电压会严重影响储能系统的能量效率。(Li H,Wang K,Cheng S,et al.High Performance Liquid MetalBattery with Environmentally Friendly Antimony–Tin Positive Electrode.ACSApplied MaterialsInterfaces,2016,8(20):12830-12835.Wang K,Jiang K,Chung B,etal.Lithium–antimony–lead liquid metal battery for grid-level energystorage.Nature,2014,514(7522):348-350.)造成电极极化、放电电压降低的主要原因是放电产物Li₃Sb熔点较高(1150℃)，在液态金属电池工作温度范围内为固态，放电过程中，放电产物Li₃Sb密度低，位于电解质和正极之间界面，而另一金属相Sn或Pb密度大，位于正极材料底部。由于离子在固相中的传输速度较低，在电解质/正极界面处的固相Li₃Sb，限制了电极反应的动力学过程。因而如何解决正极界面处电极反应动力学慢、电极极化大的问题，是实现液态金属电池大电流充放电、提高液态金属电池充放电能量效率的技术关键。

发明内容

本发明提供一种液态或半液态金属电池的正极材料及制备方法，应用于储能电池后，解决现有液态或半液态金属电池在大电流密度下极化大所导致的工作电压低和能量效率低等问题。

本发明提供了一种液态或半液态金属电池的正极材料，其特征在于：