CN103280604B - 一种浮体电解质液态储能电池单体结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能电池技术领域，特别涉及一种浮体电解质液态储能电池单体结构。该电池单体结构由密封壳，坩锅底座，套管，正负集流器，负极金属电极，正极电极，液态电解质和固体电解质组成，其中三层液体由于密度差和不互溶性自动分层。本发明电池单体结构内部除了固体电解质片外均为液态，安装方便；电池单体不受容量限制，所需材料均为常用材料，以此制备电池的成本低；所制备的电池具有特殊的电池结构和电极特性，电池工作寿命长，因此本发明电池单体结构非常适合应用于储能领域。

Description

一种浮体电解质液态储能电池单体结构

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，特别涉及一种浮体电解质液态储能电池单体结构。

背景技术

发电、输电、配电、储电、用电是电力产业链的五大重要环节，而规模化高效储能技术是迫切需要但又亟待解决的关键核心技术，也是解决可再生能源发电的随机性和间歇性，改善可再生能源发电质量，推进可再生能源普及应用的重要技术。

成本和寿命是衡量一种技术是否适合应用于储能领域的关键指标。通常认为，要使一种化学电池具有大规模储能的开发价值，它的制作成本要低于$150/KWh，寿命要大于10yr。而目前的化学电池均由于高的制作储能而不适合用于大规模储能，例如钠硫电池为$500/KWh，铅酸电池为$500/KWh，锂离子电池为$1000/KWh。阵列浮体电解质液态储能电池由于具有独特的三层液体结构，其单体电池理论上不受体积限制，因此原本需要用大量的电池单体组建的一个储能系统如今只需要由几个电池单体组成；另外由于电池所用材料均为常用材料，因此大大降低制作成本。

在寿命方面，由于电池在充放电时两个电极不断生成与消失，减小了电极材料的性能衰减；另外，该电池采用液态电解质，避免了固体电解质膜由于破裂从而造成电池失效的风险。提高电池使用寿命。

现有的液态电池存在以下两个方面的问题：

(1)电解质欧姆极化较大。由于在电池工作过程中电解质液面的波动，目前液态金属电池电解质层厚度较大，一般来说厚度不能小于5mm，这势必造成过大的欧姆极化，因而限制该电池的产业化开发；

(2)电解质-电极界面稳定性有待进一步提高。液态储能电池包含有活性熔融盐、熔融金属复杂体系，杂志元素、界面浸润特性、充放电过程、温度变化等因素都有可能造成界面稳定性下降。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种浮体电解质液态储能电池单体结构。

一种浮体电解质液态储能电池单体结构，所述电池单体结构的密封壳内设置凹槽形坩埚底座，其外壁和外侧底面分别与密封壳的内壁及内侧底面相连；所述坩埚底座内设置导管，其外壁与底面分别与坩埚底座的内壁和内侧底面相连；所述坩埚底座和导管的顶端分别与密封壳相连；所述坩埚底座内下部设置正极电极，其外壁及底面分别与导管内壁及坩埚底座内侧底面相连；在正极电极底部中央位置设置正极集流器，其顶端位于正极电极中部，其底端穿过坩埚底座与密封壳相连；

所述正极电极顶端表面上设置一个或多个固体电解质，所述固体电解质为片状或底端封口管状；

当所述固体电解质为片状时，在固体电解质上方设置负极金属电极，其外壁与导管的内壁相连；在由固体电解质、正极电极、负极金属电极和导管构成的腔体中，填充液态电解质；在负极金属电极中部中央位置设置负极集流器，其底端位于负极金属电极中部，其顶端穿过密封壳，位于密封壳外；

当所述固体电解质为底端封口管状时，其底端与正极电极相接触，其管内填充负极金属电极，其管外侧正极电极上填充一层液态电解质；所述液态电解质与正极电极和固体电解质相接触，所述固体电解质的顶端管口位于液态电解质液面上方；在密封壳中央位置设置负极集流器，其顶端位于密封壳外，所述负极集流器穿过密封壳，其底端位于密封壳内，并分别与负极金属电极逐一相连；

所述正极电极、固体电解质片、填充液态电解质和负极金属电极的密度依次变小；所述电池单体相接触的各组成部分之间不相溶，也不发生反应。

所述密封壳的材质为不锈钢或镁铝合金材料；所述坩埚底座的材质为石墨材料；所述导管的材质为氮化硼或氧化铝陶瓷材料。

所述负极集流器和正极集流器的材质为石墨或铁、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、稀土金属单质及其合金材料，负极集流器外包有一层刚玉管用于绝缘。

所述负极金属电极的材质为Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba金属单质及由其组成的合金材料；所述正极电极的材质为Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Te金属单质及由其组成的合金或硫和多硫化钠材料。

所述液态电解质的材质为负极金属电极的金属离子的卤化物、氧化物、碳酸盐、磷酸盐或锰酸盐；所述固体电解质片厚度为0.1～5mm，质地多孔或密实，其材质为绝缘材料或负极金属电极的金属离子导体材料。

所述固体电解质片的质地为多孔结构时，其孔径为μm或mm级。

所述负极金属电极的金属离子导体材料为钠、锂、镁、氧、钙离子的离子导体、聚烯烃或碳化硅。

本发明的有益效果为：

本发明通过引入固体电解质片，有效提升了电解质液面在工作过程中的平稳性，从而可以降低电解质层厚度，大幅度降低欧姆极化，同时引入固-液反应界面，提高电池稳定性。与现有液态电池技术相比，本发明有效降低了电解质欧姆极化，改善了电解质-电极界面稳定性，从而大大提高了其在储能领域的开发前景。

附图说明

图1为本发明实施例1浮体电解质液态储能电池单体结构示意图；

图2为本发明实施例1电解质层局部俯视图；

图3为本发明浮体电解质液态储能电池单体另一种设计的结构示意图；

图中标号：1-负极集流器；2-导管；3-坩埚底座；4-正极集流器；5-正极电极；6-液态电解质；7-固体电解质；8-负极金属电极；9-密封壳。

具体实施方式

本发明提供了一种浮体液态电解质储能电池单体结构，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种浮体电解质液态储能电池单体结构，所述电池单体结构的密封壳9内设置凹槽形坩埚底座3，其外壁和外侧底面分别与密封壳9的内壁及内侧底面相连；所述坩埚底座3内设置导管2，其外壁与底面分别与坩埚底座3的内壁和内侧底面相连；所述坩埚底座3和导管2的顶端分别与密封壳9相连；所述坩埚底座3内下部设置正极电极5，其外壁及底面分别与导管2内壁及坩埚底座3内侧底面相连；在正极电极5底部中央位置设置正极集流器4，其顶端位于正极电极5中部，其底端穿过坩埚底座3与密封壳9相连；

所述正极电极5顶端表面上设置一个或多个固体电解质7，所述固体电解质7为片状或底端封口管状；

当所述固体电解质7为片状时，在固体电解质7上方设置负极金属电极8，其外壁与导管2的内壁相连；在由固体电解质7、正极电极5、负极金属电极8和导管2构成的腔体中，填充液态电解质6；在负极金属电极8中部中央位置设置负极集流器1，其底端位于负极金属电极8中部，其顶端穿过密封壳9，位于密封壳9外；

当所述固体电解质7为底端封口管状时，其底端与正极电极5相接触，其管内填充负极金属电极8，其管外侧正极电极5上填充一层液态电解质6；所述液态电解质6与正极电极5和固体电解质7相接触，所述固体电解质7的顶端管口位于液态电解质6液面上方；在密封壳9中央位置设置负极集流器1，其顶端位于密封壳9外，所述负极集流器1穿过密封壳9，其底端位于密封壳9内，并分别与负极金属电极8逐一相连；

所述正极电极5、固体电解质片7、填充液态电解质6和负极金属电极8的密度依次变小；所述电池单体相接触的各组成部分之间不相溶，也不发生反应。

电极反应如下：

负极：

正极：

其中A，B分别代表负极材料和正极材料。

所述密封壳9的材质为不锈钢或镁铝合金材料；所述坩埚底座3的材质为石墨材料；所述导管2的材质为氮化硼或氧化铝陶瓷材料。

所述负极集流器1和正极集流器4的材质为石墨或铁、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、稀土金属单质及其合金材料，负极集流器1外包有一层刚玉管用于绝缘。

所述负极金属电极8的材质为Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba金属单质及由其组成的合金材料；所述正极电极5的材质为Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Te金属单质及由其组成的合金或硫和多硫化钠材料。

所述液态电解质6的材质为负极金属电极8的金属离子的卤化物、氧化物、碳酸盐、磷酸盐或锰酸盐；所述固体电解质片7厚度为0.1～5mm，质地多孔或密实，其材质为绝缘材料或负极金属电极8的金属离子导体材料。

所述固体电解质片7的质地为多孔结构时，其孔径为μm或mm级。

所述负极金属电极8的金属离子导体材料为钠、锂、镁、氧、钙离子的离子导体、聚烯烃或碳化硅。

实施例1

如图1所示，浮体电解质液态储能电池单体结构由负极集流器1、套管2、坩锅底座3、正极集流器4、正极电极5、液态电解质6、固体电解质片7、负极金属电极8、密封壳9组成。其中，套管采用刚玉管，内径为27mm，外径为32mm，高为50mm。套管安放在和它配套的石墨坩锅底座上，其中石墨坩埚中心打一直径为3mm的通孔用于安放正极集流器，其材质为钨棒，负极集流器和密封壳均采用314不锈钢材料，其中负极集流器外包有用于绝缘的刚玉管。

正负极材料分别选择S和Na。选择纯度大于99.99％的硫和锑锭作为原材料，加工成直径为27mm高为15mm的圆柱体。在两个圆柱体的中心分别打一直径为3mm的通孔用于安放集流器。

将氟化钠、氟化钾、氟化镁粉体以摩尔分数比为50:20:30进行混合，称量2g粉体，烘干作为电解液。

固体电解质片选用轻质氧化铝陶瓷片，孔径为1mm。由于电池单体直径已经很小，在电解质层放置一片固体电解质片就可以。将多孔陶瓷片加工成直径为26mm，厚为3mm的圆片，烘干作为固体电解质片。

将以上准备的材料按照图1进行组装，其中先将固体电解质片放置在硫块上面，再在电解质片上面洒上电解液粉体，这样等电解液粉体熔化后自然会流入电解质片的空隙中。电池单体结构组装完成后，将其放入充满氩气(99.999％)的环境中加热到350℃，升温速率为0.5℃/min。待恒温后，用德国Zahner电化学工作站对电池单体结构的电化学性能进行测试，测试内容包括开路电压OCV、循环伏安法CV、电化学阻抗谱EIS、循环充放电性能、恒流充放电性能等。实验证明，加入固体电解质片后能有效降低最小电解质厚度，从而大大减小电池单体的欧姆极化。

Claims (6)

1.一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述电池单体结构的密封壳(9)内设置凹槽形坩埚底座(3)，其外壁和外侧底面分别与密封壳(9)的内壁及内侧底面相连；所述坩埚底座(3)内设置导管(2)，其外壁与底面分别与坩埚底座(3)的内壁和内侧底面相连；所述坩埚底座(3)和导管(2)的顶端分别与密封壳(9)相连；所述坩埚底座(3)内下部设置正极电极(5)，其外壁及底面分别与导管(2)内壁及坩埚底座(3)内侧底面相连；在正极电极(5)底部中央位置设置正极集流器(4)，其顶端位于正极电极(5)中部，其底端穿过坩埚底座(3)与密封壳(9)相连；

所述正极电极(5)顶端表面上设置一个或多个固体电解质(7)，所述固体电解质(7)为片状或底端封口管状；

当所述固体电解质(7)为片状时，在固体电解质(7)上方设置负极金属电极(8)，其外壁与导管(2)的内壁相连；在由固体电解质(7)、正极电极(5)、负极金属电极(8)和导管(2)构成的腔体中，填充液态电解质(6)；在负极金属电极(8)中部中央位置设置负极集流器(1)，其底端位于负极金属电极(8)中部，其顶端穿过密封壳(9)，位于密封壳(9)外；

当所述固体电解质(7)为底端封口管状时，其底端与正极电极(5)相接触，其管内填充负极金属电极(8)，其管外侧正极电极(5)上填充一层液态电解质(6)；所述液态电解质(6)与正极电极(5)和固体电解质(7)相接触，所述固体电解质(7)的顶端管口位于液态电解质(6)液面上方；在密封壳(9)中央位置设置负极集流器(1)，其顶端位于密封壳(9)外，所述负极集流器(1)穿过密封壳(9)，其底端位于密封壳(9)内，并分别与负极金属电极(8)逐一相连；

所述正极电极(5)、固体电解质片(7)、填充液态电解质(6)和负极金属电极(8)的密度依次变小；所述电池单体相接触的各组成部分之间不相溶，也不发生反应；

所述液态电解质(6)的材质为负极金属电极(8)的金属离子的卤化物、氧化物、碳酸盐、磷酸盐或锰酸盐；所述固体电解质片(7)厚度为0.1～5mm，质地多孔或密实，其材质为负极金属电极(8)的金属离子导体材料。

2.根据权利要求1所述的一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述密封壳(9)的材质为不锈钢或镁铝合金材料；所述坩埚底座(3)的材质为石墨材料；所述导管(2)的材质为氮化硼或氧化铝陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述负极集流器(1)和正极集流器(4)的材质为石墨或铁、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、稀土金属单质及其合金材料，负极集流器(1)外包有一层刚玉管用于绝缘。

4.根据权利要求1所述的一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述负极金属电极(8)的材质为Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba金属单质及由其组成的合金材料；所述正极电极(5)的材质为Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Sb、Bi、Te金属单质及由其组成的合金或硫和多硫化钠材料。

5.根据权利要求1所述的一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述固体电解质片(7)的质地为多孔结构时，其孔径为μm或mm级。

6.根据权利要求1所述的一种浮体电解质液态储能电池单体结构，其特征在于：所述负极金属电极(8)的金属离子导体材料为钠、锂、镁、氧、钙离子的离子导体、聚烯烃或碳化硅。