CN102511106A - 电池和能量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池(1)，所述电池(1)包含正极(4)，主要由钠构成的负极(3)，以及设置在所述正极(4)和所述负极(3)之间的电解质。所述电解质由熔融盐构成，所述熔融盐含有由式(I)(其中R1和R2各自独立地表示氟原子或氟代烷基)表示的阴离子和金属阳离子，且所述金属阳离子含有至少一种碱金属阳离子和/或至少一种碱土金属阳离子。本发明还公开了使用所述电池(1)的能量系统。
Figure DDA0000132056680000011

Description

电池和能量系统
技术领域
本发明涉及电池和能量系统。
背景技术
近来，期望在白天与黑夜之间变化或随季节变化的电力需求平准化(负荷平准化)并越来越多地将钠-硫电池用作电能的充放电单元。
例如，根据专利文献1，钠-硫电池是其中通过相对于钠离子具有选择性渗透性的β-氧化铝固体电解质将表示负极活性材料的熔融钠金属和表示正极活性材料的熔融硫相互隔离的二次电池，且其具有优异的特性如具有比其他二次电池更高的能量密度、实现了紧凑的设备、几乎不可能造成自放电、并实现了高电池效率且便于维护(参见专利文献1的段落[0002])。
另外，根据专利文献1，将钠-硫电池的单元(单电池)串联连接以形成串，将这种串并联连接以形成模块，并将这种模块串联连接以形成模块列。将整体平行的这种模块列的配置用作利用交流直流转换器和变压器连接至电力系统等的电力储存系统的主要部件(参见日本特开2007-273297号公报(专利文献1)的段落[0003])。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-273297号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，钠-硫电池应通常在280℃～360℃的高温下运行(参见专利文献1的段落[0004])。
因此，如上所述，如果将整体平行的钠-硫电池模块列的配置用作大规模能量系统的电力储存系统的主要部件，则将钠-硫电池的温度提高至上述高运行温度需要花费几天，因此在驱动电力储存系统之前要花费大量时间。
同时，作为能量密度高且运行温度低的二次电池，锂离子二次电池也是知名的。然而，如众所周知的，锂离子二次电池含有可燃性有机化合物的液体作为电解液，因此其安全性低且还存在锂源的问题。
鉴于上述状况，本发明的目的是提供一种实现高安全性和高能量密度、可在低温下运行并含有资源丰富的钠的电池；以及包含所述电池的能量系统。
解决所述问题的手段
本发明涉及一种电池，其包含正极、主要由钠构成的负极、以及设置在所述正极和所述负极之间的电解质，所述电解质为熔融盐，含有金属阳离子和由如下化学式(I)表示的阴离子，
Figure BDA0000132056660000021
在化学式(I)中的R1和R2独立地表示氟原子或氟代烷基，且金属阳离子含有至少一种碱金属阳离子和至少一种碱土金属阳离子中的至少一种。
此处，在根据本发明的电池中，优选地，所述正极含有由如下化学式(II)表示的金属或金属化合物，
NaxM1yM2zM3w           ...(II)
在化学式(II)中，M1表示Fe(铁)、Ti(钛)、Cr(铬)和Mn(锰)中的任一种，M2表示PO4(四氧化磷)和S(硫)中的任一种，M3表示F(氟)和O(氧)中的任一种，Na(钠)的组成比x为满足关系式0≤x≤2的实数，M1的组成比y为满足关系式0≤y≤1的实数，M2的组成比z为满足关系式0≤z≤2的实数，M3的组成比w为满足关系式0≤w≤3的实数，且满足关系式x+y＞0和关系式z+w＞0。
另外，在根据本发明的电池中，所述正极优选还含有导电添加剂。
另外，在根据本发明的电池中，所述正极优选还含有粘合剂。
另外，在根据本发明的电池中，所述金属阳离子优选为钾离子和/或钠离子。
另外，本发明涉及一种能量系统，所述能量系统包含用于产生电能的电能产生装置、能够利用由所述电能产生装置产生的电能进行充电并能够对所充入的电能进行放电的二次电池、以及用于将所述电能产生装置和所述二次电池相互电连接的线路，所述二次电池包含正极、主要由钠构成的负极、以及设置在所述正极和所述负极之间的电解质，所述电解质为熔融盐，含有金属阳离子和由如下化学式(I)表示的阴离子，
Figure BDA0000132056660000031
在上述化学式(I)中的R1和R2独立地表示氟原子或氟代烷基，且所述金属阳离子含有至少一种碱金属阳离子和至少一种碱土金属阳离子中的至少一种。
发明效果
根据本发明，能够提供实现高安全性和高能量密度、可在低温下运行并含有资源丰富的钠的电池；以及包含所述电池的能量系统。
附图说明
图1是实施方案中电池的结构的示意图。
图2是实施方案中能量系统的结构的示意图。
图3是分别用于说明充电起始电压、放电起始电压和放电容量的充放电曲线的示意图。
具体实施方式
下文中将对本发明的实施方案进行说明。在本发明的附图中，对相同或相当的元件指定相同的附图标记。
电池
图1显示了在表示根据本发明的一种例示性电池的实施方案中的电池的示意性结构。此处，本实施方案中的电池1包含由例如导电材料如金属制成的下盘2b、设置在下盘2b上的正极4、由例如玻璃网制成并设置在正极4上的隔膜8、由主要由钠构成(钠含量不低于50质量％)的导电材料制成并设置在隔膜8上的负极3、以及由例如导电材料如金属制成并设置在负极3上的上盖2a。
在利用上盖2a覆盖下盘2b的同时，例如通过固定构件(未示出)如螺栓和螺帽来对上盖2a和下盘2b进行固定。
另外，在上盖2a的外围部周围设置电绝缘密封材料9a如O形环，并在下盘2b的外围部周围也设置电绝缘材料9b如O形环。由此，对上盖2a与下盘2b之间的空间进行致密密封并使得上盖2a与下盘2b相互电绝缘。
应注意，可在上盖2a的上部中设置电连接至上盖2a的集电体，并可在下盘2b的下部中设置电连接至下盘2b的集电体。
此处，将隔膜8浸入到由熔融盐构成的电解质中，所述熔融盐含有金属阳离子和由如下化学式(I)表示的阴离子，且所述由熔融盐构成的电解质与负极3和正极4两者都接触。
Figure BDA0000132056660000051
此处，在上述化学式(I)中，R1和R2独立地表示氟原子或氟代烷基。R1和R2可表示相同的物质或者可分别表示不同的物质。
以上述化学式(I)表示的阴离子的实例包括使得上述化学式(I)中的R1和R2两者都表示氟原子(F)的阴离子、使得R1和R2两者都表示三氟甲基(CF3)的阴离子、以及使得R1表示氟原子(F)且R2表示三氟甲基(CF3)的阴离子。
在电解质中含有的熔融盐的实例包括含有由上述化学式(I)表示的阴离子、以及至少一种碱金属阳离子和至少一种碱土金属阳离子中的至少一种阳离子的熔融盐。
作为锐意研究的结果，本发明人发现，上述熔融盐具有低熔点且将这种熔融盐用于电池用电解质能够导致与钠-硫电池的280℃～360℃相比，电池的运行温度显著更低。
另外，如果将上述熔融盐用于电池用电解质，则因为熔融盐的不燃性，能够得到实现了高安全性和高能量密度的电池。
此处，从在更低温度下运行电池1的观点来看，优选使用由上述化学式(I)表示的R1和R2两者都表示F的这种阴离子即双(氟代磺酰基)酰亚胺离子(FSI-；下文中也可称作“FSI离子”)、和/或R1和R2两者都表示CF3的这种阴离子即双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺离子(TFSI-；下文中也可称作“TFSI离子”)。
因此，从在更低温度下运行电池1的观点来看，作为用于电解质的熔融盐，优选使用含有FSI离子和/或TFSI离子作为阴离子并含有表示碱金属和碱土金属的任一种的M离子作为阳离子的熔融盐MFSI的单盐、熔融盐MTFSI的单盐、两种以上熔融盐MFSI的单盐的混合物、两种以上熔融盐MFTSI的单盐的混合物、或者一种以上熔融盐MFSI的单盐与一种以上熔融盐MTFSI的单盐的混合物。
特别地，由于熔融盐MFSI的单盐的混合物、熔融盐MTFSI的单盐的混合物、以及一种以上熔融盐MFSI的单盐和一种以上熔融盐MTFSI的单盐的混合物由两种以上熔融盐的单盐构成，所以其是进一步优选的，原因在于，熔点可显著低于熔融盐的单盐的熔点并因此可以显著降低电池1的运行温度。
严格来讲，将不含亚氨基的FSI离子和TFSI离子称作酰亚胺是不合适的，然而目前已经广泛将其称作这种名称，因此本文中也将这种名称用作俗名。
同时，可将选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)中的至少一种用作碱金属。
另外，可将选自铍(Be)、Mg(镁)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)中的至少一种用作碱土金属。
因此，可将选自LiFSI、NaFSI、KFSI、RbFSI、CsFSI、Be(FSI)2、Mg(FSI)2、Ca(FSI)2、Sr(FSI)2和Ba(FSI)2中的任一种单盐用作熔融盐MFSI的单盐。
另外，可将选自LiTFSI、NaTFSI、KTFSI、RbTFSI、CsTFSI、Be(TFSI)2、Mg(TFSI)2、Ca(TFSI)2、Sr(TFSI)2和Ba(TFSI)2中的任一种单盐用作熔融盐MTFSI的单盐。
而且，可将选自LiFSI、NaFSI、KFSI、RbFSI、CsFSI、Be(FSI)2、Mg(FSI)2、Ca(FSI)2、Sr(FSI)2和Ba(FSI)2中的两种以上单盐的混合物用作熔融盐MFSI的单盐的混合物。
此外，可将选自LiTFSI、NaTFSI、KTFSI、RbTFSI、CsTFSI、Be(TFSI)2、Mg(TFSI)2、Ca(TFSI)2、Sr(TFSI)2和Ba(TFSI)2中的两种以上单盐的混合物用作熔融盐MTFSI的单盐的混合物。
此外，可将选自LiFSI、NaFSI、KFSI、RbFSI、CsFSI、Be(FSI)2、Mg(FSI)2、Ca(FSI)2、Sr(FSI)2和Ba(FSI)2中的一种以上单盐与选自LiTFSI、NaTFSI、KTFSI、RbTFSI、CsTFSI、Be(TFSI)2、Mg(TFSI)2、Ca(TFSI)2、Sr(TFSI)2和Ba(TFSI)2中的一种以上单盐的混合物用作一种以上熔融盐MFSI的单盐与一种以上熔融盐MTFSI的单盐的混合物。
其中，从降低电池的运行温度的观点来看，优选将由NaFSI和KFSI的混合物构成的二元体系熔融盐(下文中称作“NaFSI-KFSI熔融盐”)或由NaFSI和NaTFSI的混合物构成的二元体系熔融盐(下文中称作“NaFSI-NaTFSI熔融盐”)用于所述电解质。
特别地，在NaFSI-KFSI熔融盐中Na阳离子与K阳离子之间的摩尔比((K阳离子的摩尔数)/(Na阳离子的摩尔数+K阳离子的摩尔数))优选不小于0.4且不大于0.7，更优选不小于0.5且不大于0.6。当在NaFSI-KFSI熔融盐中Na阳离子与K阳离子之间的摩尔比((K阳离子的摩尔数)/(Na阳离子的摩尔数+K阳离子的摩尔数))不小于0.4且不大于0.4，特别是不小于0.5且不大于0.6时，可能电池的运行温度能够低至90℃以下。
当将由上述熔融盐的单盐的混合物构成的熔融盐用于电池的电解质时，从降低电池的运行温度的观点来看，所述熔融盐的组成优选接近于使得两种以上熔融盐显示低共熔的组成(低共熔组成)，且所述熔融盐最优选具有低共熔组成。
另外，在由上述熔融盐构成的电解质中可含有有机阳离子。在这种情况下，可能所述电解质能够具有高电导率且电池的运行温度能够为低。
此处，例如能够将烷基咪唑型阳离子如1-乙基-3-甲基咪唑
Figure BDA0000132056660000081
阳离子、烷基吡咯烷
Figure BDA0000132056660000082
型阳离子如N-乙基-N-甲基吡咯烷
Figure BDA0000132056660000083
阳离子、烷基吡啶
Figure BDA0000132056660000084
型阳离子如1-甲基-吡啶
Figure BDA0000132056660000085
阳离子、季铵型阳离子如三甲基己基铵阳离子等用作有机阳离子。
另外，如图1中所示，例如，可以将以通过粘合剂7将金属或金属化合物5与导电添加剂6相互牢固粘附的方式构造的电极用作正极4。
此处，例如，能够将使得可嵌入充当电解质的熔融盐的M的金属或金属化合物用作金属或金属化合物5，其中优选含有由如下化学式(II)表示的金属或金属化合物。在这种情况下，能够获得实现了优异的充放电循环特性以及高能量密度的电池。
NaxM1yM2zM3w         ...(II)
在上述化学式(II)中，M1表示Fe、Ti、Cr和Mn中的任一种，M2表示PO4和S中的任一种，M3表示F和O中的任一种。
在上述化学式(II)中，Na的组成比x为满足关系式0≤x≤2的实数，M1的组成比y为满足关系式0≤y≤1的实数，M2的组成比z为满足关系式0≤z≤2的实数，M3的组成比w为满足关系式0≤w≤3的实数，且满足关系式x+y＞0和关系式z+w＞0。
例如，优选将选自NaCrO2、TiS2、NaMnF3、Na2FePO4F、NaVPO4F和Na0.44MnO2中的至少一种用作由上述化学式(II)表示的金属化合物。
其中，优选将NaCrO2用作由上述化学式(II)表示的金属化合物。当将NaCrO2用作金属化合物5时，可能能够获得实现了优异的充放电循环特性以及高能量密度的电池1。
同时，能够将由导电材料制成的添加剂用作导电添加剂6而无特别限制，然而，其中优选使用导电乙炔黑。当将导电乙炔黑用作导电添加剂6时，可能能够获得实现了优异的充放电循环特性以及高能量密度的电池1。
另外，导电添加剂6在正极4中的含量优选不高于正极4的40质量％，更优选不低于5质量％且不高于20质量％。当导电添加剂6在正极4中的含量不高于40质量％、特别是不低于5质量％且不高于20质量％时，更可能能够获得实现了优异的充放电循环特性以及高能量密度的电池1。应注意，如果正极4具有导电性，则在正极4中不必必须包含导电添加剂6。
同时，将能够使得金属或金属化合物5与导电添加剂6相互牢固粘附的任一种粘合剂用作粘合剂7而无特别限制，然而，其中优选使用聚四氟乙烯(PTFE)。当将聚四氟乙烯(PTFE)用作粘合剂7时，可能能够将由NaCrO2构成的金属化合物5和由乙炔黑构成的导电添加剂6更牢固地相互粘附。
粘合剂7在正极4中的含量优选不高于正极4的40质量％，更优选不低于1质量％且不高于10质量％。当粘合剂7在正极4中的含量不高于40质量％、特别是不低于1质量％且不高于10质量％时，更加可能能够在正极4的导电性合适的同时，将金属或金属化合物5与导电添加剂6更牢固地相互粘附。应注意，在正极4中不必必须包含粘合剂7。
可以将按上述构造的电池1用作能够通过如下式(III)和(IV)中所示的电极反应而进行充放电的二次电池。
负极3：Na→←Na++e-(向右的方向指示放电反应且向左的方向指示充电反应)                           (III)
正极4：NaCrO2 →←xNa++xe-+Na1-xCrO2(向右的方向指示充电反应且向左的方向指示放电反应)         (IV)
或者，还能够将电池1用作一次电池。
上面已经对充当单电池的电池1进行了说明，然而，可以将多个作为单电池的电池1串联电连接，由此形成串，并可以将多个这种串并联电连接，由此形成模块。
例如，能够适当地将按上述构造的电池1的单电池以及所述单电池的串和模块用作后述能量系统中的电能充放电装置。
能量系统
图2显示了在表示使用图1中所示的电池1的根据本发明的一个例示性能量系统的实施方案中的能量系统的示意性结构。
此处，将由上述电池1的单电池构成的二次电池100a、100b、100c、100d和100e或者通过对多个单电池进行电连接而得到的串或模块各自用作在根据如图2中所示构造的实施方案的能量系统中产生的电能的充放电装置。
例如，将在作为大型风力发电站的风电场10中的风力发电中产生的电能通过线路21从风电场10输送至二次电池100a，在所述二次电池100a接收电能时对其进行充电。
然后，将在二次电池100a中充入的电能从二次电池100a中放出并通过线路22输送至输电线11。其后，通过线路23将电能从输电线11输送至变电站12，所述变电站12通过线路24将电能输送至二次电池100b。在二次电池100b接收通过线路24从变电站12输送的电能时对其进行充电。
同时，将通过设置在工厂内的太阳能电池模块18而在光伏发电中产生的电能通过线路29输送至二次电池100e，在所述二次电池100e接收电能时对其进行充电。
同时，将在设置在工厂内的气体发电站20中通过使用燃料气体、氨、VOC(挥发性有机化合物)等产生的电能和在设置在工厂外部的燃料电池设备19中产生的电能通过各自的线路26和27输送至二次电池100e，在所述二次电池100e接收电能时对其进行充电。
然后，将充入二次电池100e中的电能通过线路28从二次电池100e中放出并用作工厂运行用电力17。
同时，将充入二次电池100b中的电能通过线路25从二次电池100b放出并用作工厂运行用电力17，或者通过线路25输送至二次电池100c，由此对二次电池100c进行充电。
同时，将在通过作为大型光伏发电设备的巨型太阳能设施13进行的光伏发电中产生的电能通过线路25输送并用作工厂运行用电力17或者通过线路25输送至二次电池100c，由此对二次电池100c进行充电。
同时，通过线路30将充入二次电池100c中的电能从二次电池100c向发电站14放电，由此对发电站14进行充电。将充入发电站14的电能通过线路31输送至汽车15如混合动力汽车或电动汽车并用作汽车15的驱动电力。
同时，将充入二次电池100c中的电能从二次电池100c中放出并通过线路32输送至汽车15内的二次电池100d，由此对二次电池100d进行充电。然后，将充入二次电池100d中的电能从二次电池100d中放出并用作汽车15的驱动电力16。
在按图2中所示构造的能量系统中，将由实现了高安全性和高能量密度并可在低温下运行的电池1的单电池、串或模块构成的二次电池100a、100b、100c、100d和100e各自用作电能充放电装置。
因此，包含这些二次电池的能量系统也实现了高安全性并能够产生大量电能以有效使用其。另外，由于在驱动能量系统之前不需要花费诸如几天的大量时间，所以能够实现具有优异特性的能量系统。
在按图2中所示构造的能量系统中，优选通过能够在高温下进行超导电力传输的超导线路来实施线路21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32和33中的至少一种。在这种情况下，由于能够有效地防止电能传输期间的损耗，所以可能能够有效地使用所产生的电能。
实施例
实施例1
(i)制造电解质
首先，在充满氩气氛的手套箱内测量KFSI(由第一工业制药株式会社(Daiichi Kogyo Seiyaku Co.，Ltd.)制造)和NaClO4(由奥德里奇株式会社(Aldrich)制造：纯度98％)，使其摩尔数相等，其后，将KFSI和NaClO4中的每一个溶于乙腈中并搅拌30分钟以进行混合并进行如下化学方程式(V)所示的反应。
KFSI+NaClO4→NaFSI+KClO4...       (V)
然后，通过真空过滤将在上述反应之后在溶液中沉淀的KClO4除去，其后将除去KClO4之后的溶液导入由Pyrex(商标)制造的真空容器中，使用真空泵在333K下对所述真空容器抽真空并持续两天以除去乙腈。
然后，将亚硫酰氯添加至在除去乙腈之后得到的物质中，将其搅拌三小时以进行如下化学方程式(V)所示的反应，从而除去水分。
H2O+SOCl2→2HCl+SO2          ...(VI)
其后，利用二氯甲烷洗涤三次以除去亚硫酰氯，其后将除去亚硫酰氯之后得到的物质引入PFA管中，通过使用真空泵在323K下对所述PFA管抽真空并持续两天，从而除去二氯甲烷。由此，得到白色粉末状NaFSI。
然后，在充满氩气氛的手套箱中测量按上述得到的NaFSI粉末和KFSI(由第一制药工业株式会社制造)粉末，使得将NaFSI与KFSI之间的摩尔比设定为NaFSI∶KFSI＝0.45∶0.55，并将其混合在一起以由此制造粉末混合物。其后，将粉末混合物加热至作为粉末混合物的熔点的57℃以上，从而使其熔化，由此制造NaFSI-KFSI熔融盐。
(ii)制造正极
首先，以1∶1的摩尔比对Na2CO3(由和光纯药株式会社(Wako PureChemical Industries，Ltd.)制造)和Cr2O3(由和光纯药株式会社制造)进行混合，其后将混合物形成为小球状并在氩流股中在1223K的温度下烧制五小时，由此得到NaCrO2。
然后，以80∶15∶5的质量比将按上述得到的NaCrO2、乙炔黑和PTFE进行混合并捏合，其后，将其压力结合到Al网上，由此制造正极。
(iii)制造电池
首先，将按上述制造的正极设置在下盘上，同时正极的Al网侧面对由Al制成的下盘。
然后，在充满氩气氛的手套箱内，将玻璃网浸入到按上述制造的NaFSI-KFSI熔融盐中，从而将浸渍有NaFSI-KFSI熔融盐的玻璃网设置在正极上。
然后，将由钠金属制成的负极设置在上述玻璃网上，并将由不锈钢制成的上盖设置在负极上。
其后，使用螺栓和螺帽来固定上盖和下盘，由此制造根据实施例1的电池。
(iv)评价
在诸如80℃的运行温度、2.5V的充电起始电压和3.5V的放电起始电压的条件下对按上述制造的根据实施例1的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表1中。图3示意性显示了分别用于说明充电起始电压、放电起始电压和放电容量的充放电曲线。
如表1中所示，根据实施例1的电池在10个循环之后的放电容量为74(mA·h/g)。
实施例2
除了利用商购可获得的TiS2代替用于正极的NaCrO2之外，按实施例1中制造了根据实施例2的电池。
在诸如80℃的运行温度、1.9V的充电起始电压和2.4V的放电起始电压的条件下对根据实施例2的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表1中。
如表1中所示，根据实施例2的电池在10个循环之后的放电容量为115(mA·h/g)。
实施例3
除了利用商购可获得的FeF3代替用于正极的NaCrO2之外，按实施例1中制造了根据实施例3的电池。
在诸如80℃的运行温度、2.7V的充电起始电压和4.1V的放电起始电压的条件下对根据实施例3的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表1中。
如表1中所示，根据实施例3的电池在10个循环之后的放电容量为125(mA·h/g)。
实施例4
除了通过使用NaTFSI粉末代替KFSI粉末来制造NaFSI-NaTFSI熔融盐并使用NaFSI-NaTFSI熔融盐代替NaFSI-KFSI熔融盐之外，按实施例1中制造了根据实施例4的电池。应注意，后面将对制造NaTFSI粉末的方法进行说明。
在诸如80℃的运行温度、2.5V的充电起始电压和3.5V的放电起始电压的条件下对根据实施例4的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表1中。
如表1中所示，根据实施例4的电池在10个循环之后的放电容量为76(mA·h/g)。
Figure BDA0000132056660000171
如表1中所示，可确认，根据实施例1～4的电池为在80℃的这种低运行温度下实现了高能量密度的电池。
另外，根据实施例1～4的电池实现了高安全性，因为将不燃性的NaFSI-KFSI熔融盐或NaFSI-NaTFSI熔融盐用于电解质。
实施例5
(i)制造电解质
首先，在充满氩气气氛的手套箱内测量HTFSI(由森田化学工业株式会社(Morita Chemical Industries Co.，Ltd.)制造：纯度99％以上)和Na2CO3(由和光纯药化学工业株式会社造：纯度99.5％)，使得将HTFSI与Na2CO3之间的摩尔比设定为HTFSI∶Na2CO3＝2∶1，其后，将HTFSI与Na2CO3中的每一个溶于乙醇中并搅拌30分钟以进行混合并进行如下化学方程式(VII)所示的反应。
2HTFSI+Na2CO3→2NaTFSI+CO2+H2O     ...(VII)
然后，通过使用旋转蒸发器将该混合物搅拌几小时而将乙醇大致除去。将所得物导入由Pyrex(商标)制造的真空容器中，使用真空泵对所述真空容器抽真空并在353K下持续24小时、在373K下持续24小时并在403K下持续24小时，从而除去乙醇以进行干燥，由此得到白色粉末状NaTFSI。
同时，在充满氩气氛的手套箱内测量HTFSI(由森田化学工业株式会社制造：纯度99％以上)和Cs2CO3(由奥德里奇株式会社制造：纯度99.9％)，使得将HTFSI与Cs2CO3之间的摩尔比设定为HTFSI∶Cs2CO3＝2∶1，其后，将HTFSI与Cs2CO3中的每一个溶于乙醇中并搅拌30分钟以进行混合并进行如下化学方程式(VIII)所示的反应。
2HTFSI+Cs2CO3→2CsTFSI+CO2+H2O     ...(VIII)
然后，通过使用旋转蒸发器将该混合物搅拌几小时而将乙醇大致除去。将所得物导入由Pyrex(商标)制造的真空容器中，使用真空泵对所述真空容器抽真空并在353K下持续24小时、在373K下持续24小时并在403K下持续24小时，从而除去乙醇以进行干燥，由此得到白色粉末状CsTFSI。
然后，在充满氩气氛的手套箱内对按上述得到的NaTFSI粉末和CsTFSI粉末进行测量，使得NaTFSI与CsTFSI之间的摩尔比为NaTFSI∶CsTFSI＝0.1∶0.9，并将其混合在一起，由此制造粉末混合物。其后，将粉末混合物加热至作为所述粉末混合物的熔点的110℃以上，从而使其熔化，由此制造NaTFSI-CsTFSI熔融盐。
(ii)制造正极
如同实施例1中一样，以80∶15∶5的质量比将NaCrO2、乙炔黑和PTFE进行混合并捏合，其后，将其压力结合到Al网上，由此制造正极。
(iii)制造电池
首先，将按上述制造的正极设置在下盘上，同时正极的Al网侧面对由Al制成的下盘。
然后，在充满氩气氛的手套箱内，将玻璃网浸入到按上述制造的NaTFSI-CsTFSI熔融盐中，从而将浸渍有NaTFSI-CsTFSI熔融盐的玻璃网设置在正极上。
然后，将由钠金属制成的负极设置在上述玻璃网上，并将由不锈钢制成的上盖设置在负极上。
其后，使用螺栓和螺帽来固定上盖和下盘，由此制造根据实施例5的电池。
(iv)评价
在诸如150℃的运行温度、2.3V的充电起始电压和3.1V的放电起始电压的条件下对按上述制造的根据实施例5的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表2中。图3示意性显示了分别用于说明充电起始电压、放电起始电压和放电容量的充放电曲线。
如表2中所示，根据实施例5的电池在10个循环之后的放电容量为100(mA·h/g)。
实施例6
除了利用商购可获得的TiS2代替用于正极的NaCrO2之外，按实施例5中制造了根据实施例6的电池。
然后，在诸如150℃的运行温度、1.8V的充电起始电压和2.5V的放电起始电压的条件下对根据实施例6的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表2中。
如表2中所示，根据实施例6的电池在10个循环之后的放电容量为125(mA·h/g)。
实施例7
除了利用商购可获得的FeF3代替用于正极的NaCrO2之外，按实施例5中制造了根据实施例7的电池。
然后，在诸如150℃的运行温度、2.6V的充电起始电压和4.0V的放电起始电压的条件下对根据实施例7的电池进行10个循环的充放电试验，并测量了10个循环之后的放电容量。将结果示于表2中。
如表2中所示，根据实施例7的电池在10个循环之后的放电容量为135(mA·h/g)。
如表2中所示，可确认，根据实施例5～7的电池为在150℃的这种低运行温度下实现了高能量密度的电池。
另外，根据实施例5～7的电池实现了高安全性，因为将不燃性的NaTFSI-CsTFSI熔融盐用于电解质。
应理解，本文中所公开的实施方案和实施例在各个方面都是例示性和非限制性的。本发明的范围由权利要求书的项限定，而不是由上述说明限定，且本发明的范围旨在包括在与权利要求书的项等价的范围和含义内的任何修改。
工业实用性
本发明可用于电池和能量系统中。
附图标记
1：电池；2a：上盖；2b：下盘；3：负极；4：正极；5：金属或金属化合物；6：导电添加剂；7：粘合剂；8：隔膜；9a、9b：密封材料；10：风电场；11：输电线；12：变电站；13：巨型太阳能设备；14：发电站；15：汽车；16：驱动电力；17：电力；18：太阳能电池模块；19：燃料电池设备；20：气体发电站；21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33：线路；以及100a、100b、100c、100d、100e：二次电池。

Claims (6)

1.一种电池(1)，其包含：
正极(4)；
主要由钠构成的负极(3)；以及
设置在所述正极(4)和所述负极(3)之间的电解质，
所述电解质为熔融盐，含有金属阳离子和由如下化学式(I)表示的阴离子，
在所述化学式(I)中的R1和R2独立地表示氟原子或氟代烷基，且
所述金属阳离子含有至少一种碱金属阳离子和至少一种碱土金属阳离子中的至少一种。
2.如权利要求1所述的电池，其中
所述正极(4)含有由如下化学式(II)表示的金属或金属化合物，
NaxM1yM2zM3w           ...(II)
在所述化学式(II)中，
M1表示Fe、Ti、Cr和Mn中的任一种，
M2表示PO4和S中的任一种，
M3表示F和O中的任一种，
Na的组成比x为满足关系式0≤x≤2的实数，
M1的组成比y为满足关系式0≤y≤1的实数，
M2的组成比z为满足关系式0≤z≤2的实数，
M3的组成比w为满足关系式0≤w≤3的实数，且
满足关系式x+y＞0以及关系式z+w＞0。
3.如权利要求2所述的电池，其中所述正极(4)还含有导电添加剂。
4.如权利要求2所述的电池，其中所述正极(4)还含有粘合剂。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述金属阳离子为钾离子和/或钠离子。
6.一种能量系统，其包含：
用于产生电能的电能产生装置(10、13、18、19、20)；
能够利用由所述电能产生装置(10、13、18、19、20)产生的电能进行充电并能够对充入的电能进行放电的二次电池(1、100a、100b、100c、100d、100e)；以及
用于将所述电能产生装置(10、13、18、19、20)和所述二次电池(1、100a、100b、100c、100d、100e)相互电连接的线路(21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33)，
所述二次电池(1、100a、100b、100c、100d、100e)包含：
正极(4)；
主要由钠构成的负极(3)；以及
设置在所述正极(4)和所述负极(3)之间的电解质，
所述电解质为熔融盐，含有金属阳离子和由如下化学式(I)表示的阴离子，
Figure FDA0000132056650000021
在所述化学式(I)中的R1和R2独立地表示氟原子或氟代烷基，且
所述金属阳离子含有至少一种碱金属阳离子和至少一种碱土金属阳离子中的至少一种。
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