專(zhuān)利名稱(chēng)：鋰金屬液流電池系統(tǒng)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的化學(xué)電源領(lǐng)域，特別是指鋰金屬液流電池系統(tǒng)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，新能源以及高效的能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存體系的綜合開(kāi)發(fā)和利用是當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵課題。近二十年來(lái)，以金屬鋰為基礎(chǔ)的鋰離子電池主導(dǎo)了高性能電池的發(fā)展，這是因?yàn)榻饘黉嚲哂械偷难趸€原電位、低的密度和高的電化學(xué)當(dāng)量。自從1991年索尼公司將鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，至今全球范圍內(nèi)已積極開(kāi)展了提高鋰離子電池能量密度和電極材料穩(wěn)定性的研究，鋰離子電池已經(jīng)被廣泛于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。金屬鋰的電化學(xué)容量雖然高達(dá)SSeOmAhg—1，但大部分正極材料的電化學(xué)容量只有ZOOmAhg—1左右，這局限了鋰離子電池的放電能力，另外鋰離子在金屬正極材料中的擴(kuò)散系數(shù)一般為10_8到KT11Cm2s-1左右，這也限制了鋰離子電池的能量輸出，因而目前使用的鋰離子電池的比能量的提高空間有限，所以必須尋找新的電池體系作為其代替品。金屬空氣電池提供了很好的電化學(xué)性能，因?yàn)樵诮饘倏諝怆姵刂校瑏?lái)自空氣中的活性物質(zhì)氧氣并不貯存在電池中，其中鋰空氣電池的理論能量密度可達(dá)到llHOWhkg—1，是所有的金屬氣電池中能量密度最高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的鋰離子電池體系，因此備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者的矚目。然而，鋰空氣電池的的實(shí)際容量遠(yuǎn)低于理論容量，仍有許多問(wèn)題尚待解決，目前制約其發(fā)展和應(yīng)用的主要因素有以下幾個(gè)方面正極氧還原反應(yīng)生成的放電產(chǎn)物(鋰氧化物或鋰過(guò)氧化物)難溶于有機(jī)液體電解質(zhì)，會(huì)沉積在多孔空氣電極的微孔道中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸阻塞了氧氣傳遞的通道，阻礙了氧氣擴(kuò)散到催化劑表面并與電解質(zhì)中鋰離子的接觸與反應(yīng)，導(dǎo)致放電終止，影響其實(shí)際容量和持續(xù)使用；另外由于鋰空氣電池是在敞開(kāi)環(huán)境中工作，常用的有機(jī)液體電解質(zhì)存在容易揮發(fā)的問(wèn)題，從而影響了電池的放電容量、使用壽命及電池的安全性；金屬鋰片電極在充放電循環(huán)過(guò)程中生成的枝晶易刺穿隔膜后導(dǎo)致短路，而且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后金屬鋰片的更換也是一個(gè)棘手的問(wèn)題。上述這些問(wèn)題制約了鋰空氣電池的實(shí)際發(fā)展和應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)具有高性能且持續(xù)運(yùn)行的新型電池是化學(xué)電源發(fā)展的關(guān)鍵和熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高能量密度、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高安全性、能夠快速“充”放電的鋰金屬液流電池系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于鋰金屬液流電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制備方法。本發(fā)明的目的還在于提出的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，能夠克服鋰空氣電池在連續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中，由于放電產(chǎn)物鋰氧化物或鋰過(guò)氧化物在多孔空氣電極微孔道上的逐漸沉積，從而阻塞氧傳遞孔道導(dǎo)致放電終止的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的還在于提供的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，能夠克服鋰空氣電池在敞開(kāi)環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中，有機(jī)液體電解質(zhì)易揮發(fā)、電池容量降低、使用壽命縮短和安全性低的問(wèn)題。本發(fā)明的目的還在于提供的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，能夠克服鋰空氣電池在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，鋰枝晶和金屬鋰片更換的問(wèn)題。本發(fā)明首次提出鋰金屬液流電池系統(tǒng)的概念，及其電池結(jié)構(gòu)和制備方法，并證明了其可行性。
本發(fā)明提出的鋰金屬液流電池系統(tǒng)由電池體和漿料輸送系統(tǒng)組成，電池體由負(fù)極端板11、密封墊片10、負(fù)極集流體槽8、負(fù)極混合漿料I、聚合物復(fù)合隔膜6、密封墊片7、正極混合漿料2、正極集流體槽9、正極端板12組成，漿料輸送系統(tǒng)由漿料輸送管3、漿料循環(huán)泵4、漿料儲(chǔ)存罐5組成。本發(fā)明所述的正、負(fù)極端板由高機(jī)械強(qiáng)度板制成，包括鋼板或鋁合金板，但不限于此，該端板起到固定壓緊作用；正、負(fù)極集流體槽由高電子導(dǎo)電率的材料制成，包括石墨板、不銹鋼板，但不限于此，上面分別設(shè)置有漿料進(jìn)出口，提供正、負(fù)極漿料流入流出的通道，集流體內(nèi)置的迂回導(dǎo)流溝槽使得漿料有序通過(guò)和反應(yīng)，提高電極材料的利用率，同時(shí)又起到收集電流的作用兼正、負(fù)極引出線連體部分。本發(fā)明所述的負(fù)極混合漿料由金屬鋰粉或鋰合金粉與含鋰鹽的有機(jī)溶劑配制成，金屬鋰粉或鋰合金粉的濃度為lOmolL—1，但不限于此濃度，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整其濃度，而鋰合金粉可以是但不局限于其與硅、鍺、錫的合金。所述的鋰鹽可以是LiPF6、LiPF4,LiClO4' LiAsF6、LiCF3S03、LiN(CFSO2) 2、LiC (SO2CF3) 3，LiBOB 其中的一種或幾種，有機(jī)溶劑可以是EC、PC、DMC, DEC、EMC、DME、1，3- 二氧環(huán)戊烷、鏈狀二乙二醇二甲醚以及其同系物等一種或幾種的組合，上述鋰鹽溶于該有機(jī)溶劑配制成含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)。本發(fā)明所述的正極混合漿料由碳材料催化劑或碳負(fù)載的催化劑與含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)混合并被高純氧氣飽和制得，所配制的正極漿料中催化劑的濃度為Smoir1JM不限于此濃度，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整其濃度。其中所述負(fù)載的催化劑可以是具有電化學(xué)催化氧還原的金屬單質(zhì)如Pt、Pd、Au、Ag、Ru、Rh、Ir、Os、Co、Ni、Mo等及其合金；也包括金屬氧化物如 a -MnO2, β -MnO2, y -MnO2, Mn2O3> Co3O4, CoO、WO3> MoO2, NiO、RuO2 等或其組合；也包括金屬硒化物如硒化猛、硒化鈷、硒化鈷、硒化鎳、硒化鐵、硒化釘?shù)然蚱浣M合；也包括金屬氮化物如氮化錳、氮化鈷、氮化鑰、氮化鎳、氮化鐵、氮化釕等或其組合；也可以是金屬?gòu)?fù)合氧化物如尖晶石型、燒綠石型、鈣鈦礦型等；還包括酞菁鈷、鐵卟啉等過(guò)渡金屬大環(huán)化合物；上述這些催化劑一種或者幾種組合負(fù)載于碳材料表面，制得碳負(fù)載的催化劑，但不限于此，其中催化劑的質(zhì)量含量介于5%到10%之間；本發(fā)明中為了得到性能良好的碳負(fù)載催化劑，而且要與有機(jī)液體電解質(zhì)相容性好，選擇具有合成工藝簡(jiǎn)單、成本低、催化劑顆粒分散均勻且形貌可控的的方式制備，包括浸潰沉積法、膠體法、微乳液法、氣相沉積法、微波輻射法、噴霧熱解法等，但不限于這些方法。所述碳材料催化劑可以是活性炭、泡沫碳、石墨粉、中間相碳微球、碳納米管、碳纖維、富勒烯、石墨烯等粉體顆粒以及他們的氧或氮攙雜復(fù)合物中的一種或者幾種組合。本發(fā)明所涉及的聚合物復(fù)合隔膜由高分子材料和無(wú)機(jī)材料復(fù)合制得，其中高分子材料包括但不局限于聚丙烯、聚乙烯、聚酰亞胺、聚芳醚酮、聚降冰片烯、聚四氟乙烯及其復(fù)合材料，無(wú)機(jī)材料包括但不局限于玻璃纖維、玻璃、氧化硅、氧化鋁、氧化鈦、氧化鎂、偏鋁酸鋰、鈦酸鋰及其復(fù)合材料；所述密封墊片由硅膠片、聚四氟乙烯片或PVC片制成，但不限于此；正負(fù)極漿料輸送管由不銹鋼管、硅膠管、聚四氟乙烯管制成，但不限于此；正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐由不銹鋼、聚四氟乙烯材料制成，用于分別存儲(chǔ)配制好的正、負(fù)極漿料；正、負(fù)極漿料循環(huán)泵可以使用普通的商業(yè)循環(huán)泵或者特制的循環(huán)泵，進(jìn)行演示和研究工作時(shí)，可以使用蠕動(dòng)泵代替循環(huán)泵。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)為，所提出的鋰金屬液流電池系統(tǒng)采用密閉并且獨(dú)立進(jìn)出正、負(fù)極漿料的持續(xù)供料方式，安全性能得以保證的同時(shí)防止含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)的揮發(fā)，提高了電池的容量，而且金屬鋰得到有效保護(hù)，使得鋰/氧 反應(yīng)只按電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行；正、負(fù)極漿料的儲(chǔ)存罐是相獨(dú)立的，可通過(guò)更換漿料來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的瞬間補(bǔ)充，使得電池能夠持續(xù)運(yùn)行，并且通過(guò)循環(huán)處理可以改善正極產(chǎn)物的在電極上的堆積問(wèn)題，提高了電池的使用壽命；而且采用金屬鋰粉或鋰合金粉漿料替代直接使用鋰片，避免了棘手的鋰片更換和鋰枝晶問(wèn)題，同時(shí)鋰粉或鋰合金粉較鋰片電極具有更高的放電比表面積，能夠顯著改善大電流放電條件下的鋰極化狀況，從而使該電池具有較高的電化學(xué)性能。


圖I是鋰金屬液流電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是鋰金屬液流電池系統(tǒng)的電池體分解結(jié)構(gòu)與組裝示意圖；圖3是鋰金屬液流電池體的集流體示意圖；圖4是實(shí)施例一鋰金屬液流電池的放電曲線圖；圖5是實(shí)施例二鋰金屬液流電池的放電曲線圖；圖6是實(shí)施例三鋰金屬液流電池的放電曲線圖；圖7是實(shí)施例四鋰金屬液流電池的放電曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明舉實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的一鋰金屬液流電池系統(tǒng)如圖I所示，由電池體和漿料輸送系統(tǒng)組成，電池體由負(fù)極端板11、密封墊片10、負(fù)極集流體槽8、負(fù)極混合漿料I、聚合物復(fù)合隔膜6、密封墊片7、正極混合漿料2、正極集流體槽9、正極端板12組成，漿料輸送系統(tǒng)由漿料輸送管3、漿料循環(huán)泵4、漿料儲(chǔ)存罐5組成。所述正、負(fù)極端板由高機(jī)械強(qiáng)度鋼板或鋁合金板加工制成，端板的四個(gè)角上分別設(shè)置一個(gè)孔，用于四個(gè)螺絲固定電池。正、負(fù)極集流體槽由高電子導(dǎo)電率的石墨板或不銹鋼板制成，在集流體槽上加工有迂回的流道，并在其流道始末端加工有進(jìn)出料孔，與漿料輸送管3連接，并設(shè)置有引出線連體部分，如圖3所示。所述的電池體呈左右對(duì)稱(chēng)和中心對(duì)稱(chēng)，且互相適配，中間是用于隔離正極漿料2和負(fù)極漿料I的聚合物復(fù)合隔膜6，隔膜兩側(cè)放置密封墊片7，左右兩側(cè)分別依次是正極集流體槽9、負(fù)極集流體槽8、密封墊片10、正極端板12和負(fù)極端板11，如圖2所示順序?qū)盈B組裝壓緊，通過(guò)四個(gè)角的螺絲和墊片密封固定電池體。正、負(fù)極漿料輸送管由不銹鋼管、硅膠管或聚四氟乙烯管制成，但不限于此材料，而且該輸送管能與集流體槽上的進(jìn)出料口緊密配合；正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐由耐腐蝕的材料制成，如不銹鋼、聚四氟乙烯等，其上設(shè)置有進(jìn)出料口，與漿料輸送管緊密連接，儲(chǔ)存罐還設(shè)置有可密封的原料加注口，用于加注配制好的正、負(fù)極漿料；正、負(fù)極漿料循環(huán)泵可以使用普通的商業(yè)循環(huán)泵或者特制的循環(huán)泵，進(jìn)行演示和研究工作時(shí)，可以使用蠕動(dòng)泵代替循環(huán)泵，并且循環(huán)泵與漿料輸送管道和儲(chǔ)存罐緊密連接，此漿料輸送系統(tǒng)與電池體緊密連接配合形成一完整的回路，根據(jù)實(shí)際需求可開(kāi)啟或者關(guān)閉循環(huán)泵，開(kāi)啟后可調(diào)整不同的漿料輸送速度。使用上述鋰金屬液流電池系統(tǒng)，并采用不同的正、負(fù)極漿料和聚合物復(fù)合隔膜進(jìn)行放電試驗(yàn)，以下實(shí)施例僅僅說(shuō)明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明。具體實(shí)施實(shí)例一采用不銹鋼板加工為正、負(fù)極端板，端板的四個(gè)角上分別設(shè)置一個(gè)孔，用于四個(gè)固定螺絲，采用石墨板加工成內(nèi)置迂回流道的正、負(fù)極集流體槽，采用聚丙烯膜與二氧化硅的復(fù)合膜為隔膜，厚度為O. 5mm硅膠墊片作為密封墊，其長(zhǎng)寬尺寸與集流體槽配合，如圖2所示順序依次組裝，通過(guò)四個(gè)角的螺絲和墊片密封固定壓緊電池體；內(nèi)外直徑分別是2mm和4mm的不銹鋼管作為正、負(fù)極漿料輸送管，容積50mL的不銹鋼罐作為正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐，再與循環(huán)泵4和電池體通過(guò)不銹鋼管相互緊密連接形成完整的密閉回路，如圖I所示；將金屬鋰粉與LiPF6濃度為Imoir1的EC和DMC (體積比為I : I)有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成鋰粉的濃度為IOmoir1的負(fù)極混合漿料；通過(guò)浸潰還原法制備活性碳負(fù)載的PdAu (標(biāo)記為PdAu/C)作為正極催化劑，其中PdAu的質(zhì)量含量為5% (Pd和Au原子比為I : 1)，PdAu/C與上述負(fù)極使用的同種有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成PdAu/C的濃度為δηιο /1的正極極混合漿料；分別向上述組裝好的鋰金屬液流電池系統(tǒng)的正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐注入上述所配制的正、負(fù)極混合漿料，并向正極漿料儲(chǔ)存罐中通入高純氧以飽和正極漿料，然后開(kāi)啟兩個(gè)循環(huán)泵，在1.5V-3. 5V的電壓范圍內(nèi)，O. ImA/cm2的電流密度下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間放電試驗(yàn)，按此實(shí)施所組裝的電池放電70小時(shí)的曲線如圖4所示，表現(xiàn)出較高的放電電壓介于
2.65V 到 2. 75V。具體實(shí)施實(shí)例二如圖I和圖2所示，按照實(shí)施例一所述組裝鋰金屬液流電池系統(tǒng)，正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐5與循環(huán)泵4和電池體通過(guò)不銹鋼管3相互緊密連接形成完整的密閉回路；將鋰硅合金粉(Li44Si)與LiPF6濃度為Imoir1的EC和DMC (體積比為I : I)有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成鋰合金粉的濃度為IOmoir1的負(fù)極混合漿料；活性炭與上述負(fù)極使用的同種有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成活性炭的濃度為δπιοΙΓ1的正極極混合漿料；分別向上述組裝好的鋰金屬液流電池系統(tǒng)的的正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐注入上述所配制的正、負(fù)極混合漿料，并向正極漿料儲(chǔ)存罐中通入高純氧以飽和正極漿料，然后開(kāi)啟兩個(gè)循環(huán)泵，在I. 5V-3. 5V的電壓范圍內(nèi)，O. ImA/cm2的電流密度下進(jìn)行50小時(shí)放電試驗(yàn)，所得放電曲線如圖5所示，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的放電電壓(約2. 55V到2. 65V)。具體實(shí)施實(shí)例三將鋰粉與LiPF6濃度為Imoir1的EC和DME (體積比為I : I)有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成鋰粉的濃度為IOmoir1的負(fù)極混合漿料；通過(guò)浸潰還原法制備活性碳負(fù)載 的PdAu (標(biāo)記為PdAu/C)作為正極催化劑，其中PdAu的質(zhì)量含量為5% (Pd和Au原子比為I l)，PdAu/C與上述負(fù)極使用的同種有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成PdAu/C的濃度為SmolL-1的正極極混合漿料；按照實(shí)施例一所述組裝鋰金屬液流電池系統(tǒng)，如圖I和圖2所示，正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐5與循環(huán)泵4和電池體通過(guò)不銹鋼管3相互緊密連接形成完整的密閉回路；分別向上述組裝好的鋰金屬液流電池系統(tǒng)的的正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐注入上述所配制的正、負(fù)極混合漿料，并向正極漿料儲(chǔ)存罐中通入高純氧以飽和正極漿料，然后開(kāi)啟兩個(gè)循環(huán)泵，在I. 5V-3. 5V的電壓范圍內(nèi)，O. ImA/cm2的電流密度下進(jìn)行23小時(shí)放電試驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。具體實(shí)施實(shí)例四如圖I和圖2所示，按照實(shí)施例一所述組裝鋰金屬液流電池系統(tǒng)，隔膜采用聚酰亞胺膜與二氧化硅復(fù)合膜代替前述聚丙烯膜與二氧化硅復(fù)合膜，正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐5與循環(huán)泵4和電池體通過(guò)不銹鋼管3相互緊密連接形成完整的密閉回路；將鋰粉與LiPF6濃度為ImolH的此和DME (體積比為I : υ有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成鋰粉的濃度為IOmolL-1的負(fù)極混合漿料；通過(guò)浸潰還原法制備活性碳負(fù)載的PdAu (標(biāo)記為PdAu/C)作為正極催化劑，其中PdAu的質(zhì)量含量為5% (Pd和Au原子比為1:1)，PdAu/C與上述負(fù)極使用的同種有機(jī)液體電解質(zhì)混合均勻，配制成PdAu/C的濃度為δηιο /1的正極混合衆(zhòng)料；分 別向上述組裝好的鋰金屬液流電池系統(tǒng)的的正、負(fù)極漿料儲(chǔ)存罐注入上述所配制的正、負(fù)極混合漿料，并向正極漿料儲(chǔ)存罐中通入高純氧以飽和正極漿料，然后開(kāi)啟兩個(gè)循環(huán)泵，在
I.5V-3. 5V的電壓范圍內(nèi)，O. ImA/cm2的電流密度下進(jìn)行16小時(shí)的放電試驗(yàn)，所得放電曲線如圖7所示。本發(fā)明涉及的鋰金屬液流電池系統(tǒng)的工作原理負(fù)極漿料中的鋰釋放一個(gè)電子生成鋰離子，電子先后經(jīng)負(fù)極集流體和外電路通過(guò)負(fù)載傳遞到正極，同時(shí)鋰離子通過(guò)有機(jī)液體電解質(zhì)穿過(guò)隔膜到達(dá)正極，在正極鋰離子、電子與氧原子發(fā)生反應(yīng)，生成鋰氧化物或鋰過(guò)氧化物，這樣就使得電子在外部電路傳遞而產(chǎn)生電流，電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，鋰氧化物或鋰過(guò)氧化物逐漸沉積在碳負(fù)載的催化劑周?chē)⑶邑?fù)極的鋰也逐漸被消耗，而此時(shí)通過(guò)循環(huán)注入新鮮的正、負(fù)極漿料，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)壽命，只要保證正、負(fù)極漿料的供應(yīng)，電池就可以連續(xù)不停的工作，而且通過(guò)回收正極漿料中的放電產(chǎn)物使其重新生成金屬鋰，可作為負(fù)極材料進(jìn)行循環(huán)使用。
權(quán)利要求
1.鋰金屬液流電池系統(tǒng)及其制備方法，其特征在于該電池系統(tǒng)由負(fù)極端板(11)、負(fù)極集流體槽(8)、負(fù)極混合漿料(I)、密封墊片(7)、聚合物復(fù)合隔膜(6)、正極集流體槽(9)、正極混合漿料(2)、密封墊片(10)、正極端板(12)、漿料輸送管(3)、漿料循環(huán)泵(4)、漿料儲(chǔ)存罐(5)組成；依次按照負(fù)極端板(11)、密封墊片(10)、負(fù)極集流體槽(8)、密封墊片(7)、聚合物復(fù)合隔膜出)、密封墊片(7)、正極集流體槽(9)、密封墊片(10)、正極端板(12)的順序?qū)盈B組裝壓緊固定成電池體；漿料輸送管與集流體槽的進(jìn)出料口緊密連接，并且漿料輸送管道、漿料儲(chǔ)存罐和循環(huán)泵連接組成漿料輸送系統(tǒng)，往儲(chǔ)存罐中加注正、負(fù)極漿料后，形成內(nèi)部可持續(xù)輸送漿料且外部連續(xù)供電的鋰金屬液流電池系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，其特征在于正、負(fù)極集流體槽上面分別都設(shè)置有正、負(fù)極漿料進(jìn)、出口，集流體槽內(nèi)設(shè)置有迂回導(dǎo)流溝槽，使得正、負(fù)極漿料單向有序流動(dòng)和反應(yīng)，同時(shí)又起到收集電流的作用兼正、負(fù)極引出線連體部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，其特征在于電池體中有用聚合物復(fù)合隔膜隔離的正、負(fù)極集流體槽，相應(yīng)分別流過(guò)正、負(fù)極漿料而不會(huì)混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，其特征在于電池體呈左右對(duì)稱(chēng)和中心對(duì)稱(chēng)，且互相適配，依次層疊組裝壓緊，通過(guò)四個(gè)角的螺絲和墊片密封壓緊固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，其特征在于所述負(fù)極混合漿料是由金屬鋰粉或鋰合金粉與含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)混合制成的，而鋰合金粉可以是但不局限于其與硅、鍺、錫的合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰金屬液流電池系統(tǒng)，其特征在于所述正極極混合漿料是由碳材料催化劑或碳負(fù)載的催化劑與含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)混合并被高純氧氣飽和制得。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述碳材料催化劑為活性炭、泡沫碳、石墨粉、中間相碳微球、碳納米管、碳纖維、富勒烯、石墨烯等粉體顆粒以及他們的氧或氮攙雜復(fù)合物中的一種或者幾種組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述負(fù)載的催化劑為具有電化學(xué)催化氧還原的金屬單質(zhì)如Pt、Pd、Au、Ag、Ru、Rh、Ir、Os、Co、Ni、Mo 等及其合金；也包括金屬氧化物如 a -MnO2> P -MnO2>Y -MnO2, Mn203、Co3O4, CoO、WO3> MoO2, NiO、RuO2等或其組合；也包括金屬硒化物如硒化錳、硒化鈷、硒化鈷、硒化鎳、硒化鐵、硒化釕等或其組合；也包括金屬氮化物如氮化錳、氮化鈷、氮化鑰、氮化鎳、氮化鐵、氮化釕等或其組合；也可以是金屬?gòu)?fù)合氧化物如尖晶石型、燒綠石型、鈣鈦礦型等；還包括酞菁鈷、鐵卟啉等過(guò)渡金屬大環(huán)化合物；以及上述這些納米催化劑的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述碳負(fù)載的催化劑為選取權(quán)利要求7所述碳材料的一種或幾種組合作為載體，通過(guò)浸潰沉積法、膠體法、微乳液法、氣相沉積法、微波輻射法、噴霧熱解法等，在其表面原位負(fù)載權(quán)利要求8所述催化劑的一種或幾種組合，制得碳負(fù)載的催化劑，其中催化劑的質(zhì)量含量介于5%到10%之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述聚合物復(fù)合隔膜高分子材料包括但不局限于聚丙烯、聚乙烯、聚酰亞胺、聚芳醚酮、聚降冰片烯、聚四氟乙烯及其復(fù)合材料，無(wú)機(jī)材料包括但不局限于玻璃纖維、玻璃、氧化硅、氧化鋁、氧化鈦、氧化鎂、偏鋁酸鋰、鈦酸鋰及其復(fù)合材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述所用鋰鹽可以是LiPF6、LiPF4,LiClO4, LiAsF6, LiCF3S03、LiN (CFSO2)2^LiC (SO2CF3) 3，LiBOB 其中的一種或幾種，有機(jī)溶劑可以是 EC、PC、DMC、DEC、EMC、DME、1，3-二氧環(huán)戊烷、鏈狀二乙二醇二甲醚以及其同系物等一種或幾種的組合，鋰鹽溶于 該有機(jī)溶劑配制成含鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)。
全文摘要
鋰金屬液流電池系統(tǒng)及其制備方法。本發(fā)明屬于化學(xué)電源領(lǐng)域，涉及鋰金屬液流電池系統(tǒng)及其制備方法。所述鋰金屬液流電池負(fù)極采用金屬鋰粉或鋰合金粉與含有鋰鹽的有機(jī)液體電解質(zhì)混合形成漿料，正極采用同種有機(jī)液體電解質(zhì)與碳催化劑或碳負(fù)載的催化劑形成混合漿料，飽和于此漿料中的高純氧氣作為氧化劑，中間設(shè)有用于分開(kāi)正極和負(fù)極的聚合物復(fù)合隔膜，鋰離子通過(guò)有機(jī)液體電解質(zhì)和隔膜在兩個(gè)電極之間遷移，而電子則在連接正、負(fù)電極的外部導(dǎo)線和負(fù)載上流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電流。此種新型鋰金屬液流電池只需通過(guò)循環(huán)供料就可以連續(xù)使用，并且通過(guò)回收正極漿料中的放電產(chǎn)物使其重新生成金屬鋰，可作為負(fù)極材料進(jìn)行循環(huán)使用。本發(fā)明提出的鋰金屬液流電池系統(tǒng)具有高能量密度、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高安全性，而且功率密度高，能夠?qū)崿F(xiàn)快速“充”放電的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/18GK102637890SQ20121008869
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者劉志宏, 崔光磊, 張立學(xué), 王曉剛, 董杉木, 許高潔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所