CN105098291A - 液态金属-气体电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种液态金属-气体电池，其包括正极、负极、电解液及用于封装该正极、负极及电解液的壳体，该负极为金属，在充放电过程中为液态；该正极包括正极活性材料及一多孔结构的正极导电膜片，该正极活性材料为气体；该电解液中含有由该负极中所含的至少一种金属形成的离子，该电解液设置于该正极活性材料与负极之间，该正极导电膜片设置于正极活性材料与电解液之间并与电解液接触，该负极不溶于该电解液。

Description

液态金属-气体电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能器件领域，尤其涉及一种液态金属-气体电池及其制备方法。
背景技术
近些年，一些具有高能量密度的电池已经相继被开发出来，并已得到广泛、深入的研究，比如锌-空气电池(水系)、金属(锂/钠/钾)-空气电池、金属(锂/钠)-硫电池。这些电池都具有非常高的能量密度，同时也存在一些各自的技术难题制约其未来的应用发展。其中，这些高能量密度的电池有一个共同的缺点，即这些电池都采用固态金属作为电极材料，在充放电过程中由于副产物的积累和界面反应的不均匀，导致了金属枝晶的产生，使电池容易出现短路故障，进而极大地影响了电池的循环寿命和安全性。
发明内容
鉴于上述情况，有必要提供一种具有高能量密度、长循环寿命且高安全性能的液态金属-气体电池。
另外，还有必要提供一种上述液态金属-气体电池的制备方法。
一种液态金属-气体电池，其包括正极、负极、电解液及用于封装该正极、负极及电解液的壳体，该负极为金属，在充放电过程中为液态；该正极包括正极活性材料及一多孔结构的正极导电膜片，该正极活性材料为气体；该电解液中含有由该负极中所含的至少一种金属形成的离子，该电解液设置于该正极活性材料与负极之间，该正极导电膜片设置于正极活性材料与电解液之间并与电解液接触，该负极不溶于该电解液。
一种液态金属-气体电池的制备方法，包括以下步骤：提供一壳体，该壳体包括一腔体；将一负极材料置于壳体的腔体中，该负极材料为金属，该负极材料在液态金属-气体电池处于工作状态时为液态；将一电解液置于壳体的腔体中覆盖该负极材料，该电解液中包含由该负极材料中所含的至少一种金属形成离子；将一多孔结构的正极导电膜片固定于腔体内且位于电解液远离负极材料的一侧，且该正极导电膜片与该电解液接触；以及将一正极活性材料充入壳体的腔体中并封装该壳体，其中该正极活性材料为气体。
本发明的液态金属-气体电池，其在工作状态时负极材料呈液态。该呈液态的金属负极材料可有效地改善界面特性，使得电解液与负极材料接触充分，从而提高电化学性能，且有效地提高了电子的迁移和离子的传输性能，从而提高了电池的循环稳定性。另外，由于该液态的金属负极材料良好的流动性和均匀性，在充放电过程中可很好地避免枝晶的形成，从而有效地提高了电池的安全性能。此外，由于本发明的液态金属-气体电池其正极活性材料为气体，从而降低了该液态金属-气体电池的工作温度。另外，由于该正极活性材料为气体，使得该液态金属-气体电池的质量大幅度减轻，从而显著地提高了电池的能量密度。
附图说明
图1为本发明实施方式的液态金属-气体电池的结构示意图。
主要元件符号说明
液态金属-气体电池 100
正极 10
正极活性材料 11
正极导电膜片 13
负极 30
电解液 40
壳体 60
腔体 61
隔离膜 70
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
图1示意出本发明的液态金属-气体电池100，其包括正极10、负极30、电解液40及用于封装该正极10、负极30及电解液40的壳体60。其中该壳体60具有一腔体61，所述正极10、负极30及电解液40容置于该腔体61内，且电解液40位于所述正极10和负极30之间。该正极10包括正极活性材料11。该正极活性材料11为气体，其选自氟气、氯气、氧气、臭氧及二氧化碳中的一种或几种。负极30为金属，该金属可选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、铝、锡、镓及铟中的至少一种。该电解液40中包含由该负极30中所含的至少一种金属形成的离子。该负极30的熔点低于该电解液40的沸点，且该负极30的密度大于该电解液40的密度。该负极30在常温时呈固态或液态，在液态金属-气体电池100处于工作状态时呈液态，且呈液态的负极30与该电解液40不相容。由于呈液态的负极30与电解液40不相容且负极30的密度大于电解液40的密度，使得负极30与电解液40分层且负极30位于电解液40的底部。
该正极10还包括一多孔结构的正极导电膜片13，该正极导电膜片13包括至少一种耐电解液40腐蚀的导电材料。该导电材料可选自导电碳黑（Super-P）、碳纳米管、石墨、石墨烯、铂、镍、镍合金、钛合金、氧化锡及氧化钌等中的一种。该正极导电膜片13还包括催化剂，该催化剂可加快正极活性材料11与电解液40中包含由该负极30中所含的至少一金属对应的离子之间的反应。该催化剂可选自氧化锰、氧化铁、氧化钛、氧化镍、氧化钴及氧化锌中的一种或几种。该导电材料及催化剂可通过胶粘剂粘结成所述正极导电膜片13，也可直接由导电材料形成一多孔结构的正极导电膜片13。该正极导电膜片13设置于正极活性材料11与电解液40之间并与该电解液40接触，以便于该液态金属-气体电池100工作时为该正极活性材料11与电解液40中包含由该负极30中所含的至少一金属对应的离子提供一个反应介面并传导电子。工作时，该正极活性材料11穿过正极导电膜片13的多孔结构与电解液40中的金属离子发生反应。
该液态金属-气体电池100还包括一隔离膜70。该隔离膜70用于将正极10与负极隔开，避免正极10与负极之间短路。
该液态金属-气体电池100的工作温度为-10℃~200℃，且其工作电压为2V~4V。
一种上述液态金属-气体电池100的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1、提供一壳体60，该壳体包括一腔体61。
步骤S2、依次将负极材料、电解液40、隔离膜70置于壳体60的腔体61内。此时，该负极材料的形态取决于制作环境的温度，其可为液态，也可为固态。该负极材料为一金属，该金属可选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、铝、锡、镓及铟中的至少一种。该负极材料形成所述负极30。该电解液40中包含由该负极材料中所含的至少一种金属形成离子。
步骤S3、将一多孔结构的正极导电膜片13固定于腔体61内且位于电解液40远离负极30的一侧，且该正极导电膜片13与该电解液40接触。该正极导电膜片包括至少一导电材料。具体的，将至少一导电材料与胶粘剂混合，经过搅拌及常温压制得到所述呈多孔结构的正极导电膜片13。该正极导电膜片13中还可包括催化剂。在另一实施方式中，该正极导电膜片13可直接由导电材料形成，如金属铂网。
步骤S4、向该含有负极30、电解液40的腔体61内充入正极活性材料11并封装该壳体60，该正极活性材料11选自氟气、氯气、氧气、臭氧及二氧化碳中的一种或几种。
本发明的液态金属-气体电池100，其在工作状态时负极材料13呈液态。该呈液态的金属负极材料13可有效地改善界面特性，使得电解液40与负极材料13接触充分，从而提高电化学性能，且有效地提高了电子的迁移和离子的传输性能，从而提高了电池的循环稳定性。另外，由于该液态的金属负极材料13具有良好的流动性和均匀性，在充放电过程中可很好地避免枝晶的形成，从而有效地提高了电池的安全性能。此外，由于本发明的液态金属-气体电池100其正极活性材料11为气体，从而降低了该液态金属-气体电池100的工作温度，使得其工作温度仅为-10℃~200℃。另外，由于该正极活性材料11为气体，使得该液态金属-气体电池100的质量大幅度减轻，从而显著地提高了电池的能量密度，且本发明的液态金属-气体电池100的工作电压可达2V~4V。
下面通过具体实施例来对本发明进行具体说明。
实施例1
电解液40的制备：将三氟甲磺酸铯（CsSO3CF3）加入乙二醇二甲醚（DME）中得到电解液40，其中，该三氟甲磺酸铯的浓度为1.0mol/L。
正极导电膜片13的制备：将导电碳黑（Super-P）与胶粘剂混合，并经过搅拌及常温压制得到呈多孔结构的正极导电膜片13。
液态金属-气体电池100的组装：将金属铯（熔点为28.4℃）作为负极材料置于壳体60的腔体61中，而后将制备的电解液40填充于腔体61中，再将制备的正极导电膜片13固定于腔体61中并位于该电解液40远离负极材料的一端，充入氧气作为正极活性材料11，然后封装得到液态金属-气体电池100。
实施例2
电解液40的制备：将三氟甲磺酸铯（CsSO3CF3）加入乙二醇二甲醚（DME）中得到电解液40，其中，该三氟甲磺酸铯的浓度为1.0mol/L。
正极导电膜片13的制备：将碳纳米管与胶粘剂混合，并经过搅拌及常温压制得到呈多孔结构的正极导电膜片13。
液态金属-气体电池100的组装：将金属钠与铯的合金（熔点为-30℃）作为负极材料置于壳体60的腔体61中，而后将制备的电解液40填充于腔体61中，再将制备的正极导电膜片13固定于腔体61中并位于该电解液40远离负极材料的一端，充入氯气作为正极活性材料11，然后封装得到液态金属-气体电池100。
实施例3
电解液40的制备：将三氟甲磺酸钠（NaSO3CF3）加入四乙二醇二甲醚（TEGDME）中得到电解液40，其中，该三氟甲磺酸钠的浓度为1.0mol/L。
正极导电膜片13的制备：将碳纤维、铂粉与胶粘剂混合，并经过搅拌及常温压制得到呈多孔结构的正极导电膜片13。
液态金属-气体电池100的组装：将金属钠（熔点为97.8℃）作为负极材料置于壳体60的腔体61中，而后将制备的电解液40填充于腔体61中，再将制备的正极导电膜片13固定于腔体61中并位于该电解液40远离负极材料的一端，充入二氧化碳作为正极活性材料11，然后封装得到液态金属-气体电池100。
实施例4
电解液40的制备：将三氟甲磺酸镓（GaSO3CF3）加入三乙二醇二甲醚（DEGDME）中得到电解液，其中，该三氟甲磺酸镓的浓度为1.0mol/L。
液态金属-气体电池100的组装：将金属镓及铟的合金（熔点为30℃）作为负极材料，置于壳体60的腔体61中，而后将制备的电解液40填充于腔体61中，再将金属铂网作为正极导电膜片13固定于腔体61中并位于该电解液40远离负极材料的一端，充入氯气作为正极活性材料11，然后封装得到液态金属-气体电池100。
实施例1-4所制备的液态金属-气体电池100的工作温度及工作电压请参见表1。另外，对实施例1-4所制备的液态金属-气体电池100在工作条件下进行恒流充放电循环测试分析及负极枝晶检测，表1记载了在0.1C的倍率下电池可稳定循环的次数，及电池在0.1C的倍率下循环10次后负极枝晶检测的结果。
表1
由表1可以看出，上述实施例所制备的液态金属-气体电池100的循环稳定性较好，且在充放电过程中可很好地避免枝晶的形成，从而有效地提高了电池的安全性能。
另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态金属-气体电池，其包括正极、负极、电解液及用于封装该正极、负极及电解液的壳体，其特征在于：该负极为金属，在充放电过程中为液态；该正极包括正极活性材料及一多孔结构的正极导电膜片，该正极活性材料为气体；该电解液中含有由该负极中所含的至少一种金属形成的离子，该电解液设置于该正极活性材料与负极之间，该正极导电膜片设置于正极活性材料与电解液之间并与电解液接触，该负极不溶于该电解液。
2.如权利要求1所述的液态金属-气体电池，其特征在于：该金属选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、铝、锡、镓及铟中的至少一种。
3.如权利要求1所述的液态金属-气体电池，其特征在于：该正极活性材料选自氟气、氯气、氧气、臭氧及二氧化碳中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的液态金属-气体电池，其特征在于：该正极导电膜片包括至少一种耐该电解液腐蚀的导电材料。
5.如权利要求4所述的液态金属-气体电池，其特征在于：该正极导电膜片还包括催化剂，该催化剂用于加快正极活性材料与电解液中包含由该负极中所含的至少一金属对应的离子之间的反应。
6.一种液态金属-气体电池的制备方法，包括以下步骤：
提供一壳体，该壳体包括一腔体；
将一负极材料置于壳体的腔体中，该负极材料为金属，该负极材料在液态金属-气体电池处于工作状态时为液态；
将一电解液置于壳体的腔体中覆盖该负极材料，该电解液中包含由该负极材料中所含的至少一种金属形成离子；
将一多孔结构的正极导电膜片固定于腔体内且位于电解液远离负极材料的一侧，且该正极导电膜片与该电解液接触；以及
将一正极活性材料充入壳体的腔体中并封装该壳体，其中该正极活性材料为气体。
7.如权利要求6所述的液态金属-气体电池的制备方法，其特征在于：该正极活性材料选自氟气、氯气、氧气、臭氧及二氧化碳中的一种或几种。
8.如权利要求6所述的液态金属-气体电池的制备方法，其特征在于：该金属选自锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙、铝、锡、镓及铟中的至少一种。
9.如权利要求7所述的液态金属-气体电池的制备方法，其特征在于：该正极导电膜片包括至少一种耐该电解液腐蚀的导电材料。
10.如权利要求9所述的液态金属-气体电池的制备方法，其特征在于：该导电材料选自导电碳黑、碳纳米管、石墨、石墨烯、铂、镍、镍合金、钛合金、氧化锡及氧化钌中的一种。
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