CN105304950B - 熔融盐储能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电解精炼金属电解槽的熔融盐储能电池，它包括水平状和竖直状的融熔盐储能电池，水平状的融熔盐储能电池它包括槽体，其特征是槽体底部两边分别设有石墨负极、金属负极和石墨正极、金属正极，槽体中间设有绝缘隔板将两者隔开，正极导杆与石墨正极连接，负极导杆与石墨负极连接，并分别从槽体引出；所述金属负极的电负性小于金属正极的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，电解质覆盖在金属负极与金属正极上面；所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V；本发明制备水平放置的熔融盐储能电池简化了电池槽结构，减小了对电解质密度的要求，方便加入电解质，加快电解质离子扩散速度，提高了放电电压。

Description

熔融盐储能电池
技术领域
本发明涉及一种电化学电池，具体地说是一种熔融盐储能电池，特别是涉及一种基于电解精炼金属电解槽的熔融盐储能电池。
背景技术
传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大的促进了新能源的发展，新能源发电的规模也快速攀升，在中国新能源发电量占总发电量的比例已超过20﹪。
随着风能、太阳能等可再生能源和智能电网产业的迅速崛起以及风能和太阳能等可再生能源的重新部署，大大增加了对低成本、长寿命、大规模的储能电池的需求。
至今为止，人们已经开发了多种储能技术。主要分为物理储能、化学储能两大类。物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能和超导磁储能。化学储能包括铅酸电池、液流储能电池、二次电池和钠硫电池。其中电池储能是比较理想的储能方式，具有效率高、易用、干净、方便的优点。但铅酸电池、液流储能电池、二次电池和钠硫电池等传统电池不适合大规模储能场合的应用。
由电化学基本原理可知，在某种程度上，电池储能与电解可以认为是相反的过程。熔融盐在精炼制备高纯铝及其他金属领域有广泛的应用，是冶金行业的超级耗能大户。因此，基于熔融盐的电解工业，可以实现高温熔融盐体系下的大规模储能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电解精炼金属电解槽的熔融盐储能电池。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种熔融盐储能电池，它包括槽体，槽体底部两边分别设有石墨负极、金属负极和石墨正极、金属正极，槽体中间设有绝缘隔板将两者隔开，正极导杆与石墨正极连接，负极导杆与石墨负极连接，并分别从槽体引出；所述金属负极的电负性小于金属正极的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，电解质覆盖在金属负极与金属正极上面；所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V。
为防止熔融后的金属负极、金属正极接触，本发明所述绝缘隔板的高度高于金属负极的液态层上部50㎜以上。
为便于金属负极的金属离子向电解质、金属正极扩散，本发明所述金属负极的液态层高度比正极金属的液态层高度高50㎜～100㎜。
一种熔融盐储能电池，它包括槽体，从槽体底部向上依次设有石墨正极、金属正极、电解质、金属负极和石墨负极，正极导杆与石墨正极连接，负极导杆与石墨负极连接，并分别从槽体引出，所述金属负极的密度小于电解质的密度，电解质的密度小于金属正极的密度；所述金属负极的电负性小于金属正极的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V。
本发明所述金属负极的密度范围为0.50～2.60g·cm-3, 金属正极的密度范围为2.70～13.59 g·cm-3，电解质的密度范围为2.61～3.0 g·cm-3。
本发明所述金属正极为Al或Zn或Ga或Cd或Hg或Sn或Pb或Sb或Bi或Te或Cu或Ti中的一种或合金；所述金属负极为Li或Na或Mg或K或Ca或Rb或Sr或Cs或Ba中的一种或合金。
本发明所述电解质为金属氯化物或金属氟化物中的一种或组合。
本发明所述金属氯化物包括LiCl、NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、HgCl2、CuCl2、BaCl2；所述金属氟化物包括LiF、NaF、KF、RbF、CsF、MgF2、AlF3、ZnF2、CaF2、SrF2、PbF2、CdF2、BaF2。
本发明所述金属负极的电子电导率和金属正极的电子电导率均大于3S·cm-1，熔融的电解质的离子电导率小于0.8 S·cm-1。
为加强保温效果，本发明所述槽体的内壁设有保温内衬。
由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，制备了水平放置与竖直放置的熔融盐储能电池，特别是水平放置的熔融盐储能电池简化了电池槽结构，减小了对电解质密度的要求，方便加入电解质，加快电解质离子扩散速度，提高了放电电压。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
由图1可知，一种熔融盐储能电池，它包括槽体3，槽体3底部两边分别设有石墨负极7、金属负极6和石墨正极9、金属正极10，槽体3中间设有绝缘隔板8将两者隔开，正极导杆2与石墨正极9连接，负极导杆5与石墨负极7连接，并分别从槽体3两侧引出；所述金属负极6的电负性小于金属正极10的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，电解质1覆盖在金属负极6与金属正极10上面；所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V。
为防止熔融后的金属负极6、金属正极10接触，本发明所述绝缘隔板8的高度高于金属负极6的液态层上部50㎜以上。
为便于金属负极6的金属离子向电解质1、金属正极10扩散，本发明所述金属负极6的液态层高度比正极金属10的液态层高度高50㎜～100㎜。
本发明所述金属正极10为Al或Zn或Ga或Cd或Hg或Sn或Pb或Sb或Bi或Te或Cu或Ti中的一种或合金；所述金属负极6为Li或Na或Mg或K或Ca或Rb或Sr或Cs或Ba中的一种或合金。
本发明所述电解质1为金属氯化物或金属氟化物中的一种或组合。
本发明所述金属氯化物包括LiCl、NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、HgCl2、CuCl2、BaCl2；所述金属氟化物包括LiF、NaF、KF、RbF、CsF、MgF2、AlF3、ZnF2、CaF2、SrF2、PbF2、CdF2、BaF2。
本发明所述金属负极6的电子电导率和金属正极10的电子电导率均大于3S·cm-1，熔融的电解质1的离子电导率小于0.8 S·cm-1。
为加强保温效果，本发明所述槽体3的内壁设有保温内衬4。
本实施例金属正极10为Al，其电子电导率为7.5S·cm-1；金属负极6是Na，其电子电导率为4.2 S·cm-1，两者电负性差为0.68，所用电解质1为熔融NaCl，其离子电导率为0.6S·cm-1。液态Al的高度为450㎜，液态Na的高度为500㎜。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将固态Al加入到石墨正极9上，固态Na加入到石墨负极7上，再将NaCl加入槽中覆盖在固态Al和固态Na上。开始加热，温度至810℃时，电解质1、固态Al和固态Na开始熔化，保温30分钟，待电解质1、固态Al和固态Na完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为3.5V，放电电压可达3.2V。
实施例2：
本实施例金属正极10为Cu，其电子电导率为8.5S•cm-1，金属负极6是Mg，其电子电导率为5.3 S•cm-1，两者电负性差为0.59，所用电解质1为按MgCl2:CuCl2=7:3的比例组成的混合电解质，其离子电导率为0.43 S•cm-1。液态Cu的高度为455㎜，液态Mg的高度为520㎜。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将固态Cu加入到石墨正极9上，将固态Mg加入到石墨负极7上，再将MgCl2和CuCl2组成的混合电解质加入槽中覆盖在固态Cu和固态Mg上，开始加热，温度至700℃时，电解质1、固态Cu和固态Mg开始熔化，保温30分钟，待电解质1、固态Cu和固态Mg完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为3.1V，放电电压可达2.9V。
余同实施例1。
实施例3：
本实施例金属正极10为按Al:Zn=1:1的比例组成的合金，其电子电导率为6.5S•cm-1，金属负极6是Li，其电子电导率为3.3 S•cm-1，两者电负性差为0.65，所用电解质1为按LiF:AlF3:ZnF2=6:3:1的比例组成的混合电解质，其离子电导率为0.32 S•cm-1。液态铝锌合金的高度为460㎜，液态Li的高度为525㎜。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将固态铝锌合金加入到石墨正极9上，固态锂加入到石墨负极7上，再将LiF、AlF3和ZnF2组成的混合电解质加入槽中覆盖在固态铝锌合金和固态锂上，开始加热，温度至930℃时，电解质1、固态铝锌合金和固态锂开始熔化，保温30分钟，待电解质1、固态铝锌合金和固态锂完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为3.0V，放电电压可达2.7V。
余同实施例1。
实施例4：
由图2可知，一种熔融盐储能电池，它包括槽体3，从槽体3底部向上依次设有石墨正极9、金属正极10、电解质1、金属负极6和石墨负极7，正极导杆2与石墨正极9连接，负极导杆5与石墨负极7连接，并分别从槽体3上部和下部引出，所述金属负极6的密度小于电解质1的密度，电解质1的密度小于金属正极10的密度；所述金属负极6的电负性小于金属正极10的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V。
本发明所述金属负极6的密度范围为0.50～2.60g·cm-3, 金属正极10的密度范围为2.70～13.59 g·cm-3，电解质1的密度范围为2.61～3.0 g·cm-3。
本发明所述金属正极10为Al或Zn或Ga或Cd或Hg或Sn或Pb或Sb或Bi或Te或Cu或Ti中的一种或合金；所述金属负极6为Li或Na或Mg或K或Ca或Rb或Sr或Cs或Ba中的一种或合金。
本发明所述电解质1为金属氯化物或金属氟化物中的一种或组合。
本发明所述金属氯化物包括LiCl、NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、HgCl2、CuCl2、BaCl2；所述金属氟化物包括LiF、NaF、KF、RbF、CsF、MgF2、AlF3、ZnF2、CaF2、SrF2、PbF2、CdF2、BaF2。
本发明所述金属负极6的电子电导率和金属正极10的电子电导率均大于3S·cm-1，熔融的电解质1的离子电导率小于0.8 S·cm-1。
为加强保温效果，本发明所述槽体3的内壁设有保温内衬4。
本实施例金属正极10为Pb，其电子电导率为4.9S•cm-1，密度为11.343 g·cm-3；金属负极6是Mg，其电子电导率为5.3 S•cm-1，密度为1.74 g·cm-3，两者电负性差为1.02，所用电解质1为熔融MgCl2，其离子电导率为0.5 S•cm-1。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将固态Pb加入到石墨正极9上，再将电解质1MgCl2加入到正极金属10Pb上，最后将固态Mg加入到电解质1MgCl2上方，开始加热，温度至720℃时，电解质1、固态Pb和固态Mg开始熔化，保温40分钟，待电解质1、固态Pb和固态Mg完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为2.5V，放电电压可达1.9V。
实施例5：
本实施例金属正极10为Hg，其电子电导率为3.5S•cm-1，密度为13.59 g·cm-3，金属负极6是Ca，其电子电导率为4.31S•cm-1，密度为1.54 g·cm-3，两者电负性差为1.0，所用电解质1为按CaCl2:HgCl2＝8:2的比例组成的混合电解质，其离子电导率为0.24 S•cm-1。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将液态Hg加入到石墨正极9上，再将CaCl2和HgCl2混合电解质加入到液态Hg上，最后将固态Ca加入到CaCl2和HgCl2混合电解质上方，开始加热，温度至680℃时，电解质1、固态Ca开始熔化，保温40分钟，待电解质1、固态Ca完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为2.1V，放电电压可达1.7V。
余同实施例2。
实施例6：
本实施例金属正极10为按Pb:Cd＝1:1的比例组成的合金，
其电子电导率为3.12S•cm-1，密度为6.12g·cm-3，金属负极6是K，其电子电导率为5.12S•cm-1，密度为0.86 g·cm-3，两者电负性差为1.19，所用电解质1为按KF:PbF2:CdF2＝7:2:1的比例组成的混合电解质，其离子电导率为0.45S•cm-1。
本实施例熔融盐储能电池的制作过程是，首先将固态Pb和Cd合金加入到石墨正极9上，再将KF、PbF2和CdF2混合电解质加入到固态Pb和Cd合金上，最后将固态K加入到KF、PbF2和CdF2混合电解质上方，开始加热，温度至860℃时，电解质、固态Pb和Cd合金、固态K开始熔化，保温40分钟，待电解质和正、负极金属完全熔化时，接通外电路先充电后放电，充电电压为1.8V，放电电压可达1.4V。
余同实施例2。

Claims (6)

1.一种熔融盐储能电池，包括槽体，其特征是槽体底部两边分别设有石墨负极、金属负极和石墨正极、金属正极，槽体中间设有绝缘隔板将两者隔开，正极导杆与石墨正极连接，负极导杆与石墨负极连接，并分别从槽体引出；所述金属负极的电负性小于金属正极的电负性，两者之间的差值为0.34～1.54，电解质覆盖在金属负极与金属正极上面；所述熔融盐储能电池的充电电压为3V～6V，放电电压为1V～4V；所述绝缘隔板的高度高于金属负极的液态层上部50㎜以上；所述金属负极的液态层高度比正极金属的液态层高度高50㎜～100㎜。
2.根据权利要求1所述的熔融盐储能电池，其特征是所述金属正极为Al或Zn或Ga或Cd或Hg或Sn或Pb或Sb或Bi或Te或Cu或Ti中的一种或几种金属组成的合金；所述金属负极为Li或Na或Mg或K或Ca或Rb或Sr或Cs或Ba中的一种或几种金属组成的合金。
3.根据权利要求1所述的熔融盐储能电池，其特征是所述电解质为金属氯化物或金属氟化物中的一种或组合。
4.根据权利要求3所述的熔融盐储能电池，其特征是所述金属氯化物包括LiCl、NaCl、KCl、MgCl2 、 CaCl2 、 SrCl2 、 HgCl2 、 CuCl2 、 BaCl2 ；所述金属氟化物包括LiF、NaF、KF、RbF、CsF、MgF2 、 AlF3 、 ZnF2 、 CaF2 、 SrF2 、 PbF2 、 CdF2 、 BaF2 。
5.根据权利要求1所述的熔融盐储能电池，其特征是所述金属负极的电子电导率和金属正极的电子电导率均大于3 S · cm-1 ，熔融的电解质的离子电导率小于0.8 S· cm-1 。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的熔融盐储能电池，其特征是所述槽体的内壁设有保温内衬。
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