CN106025249A - 一种室温液态金属电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种包括正极、负极、间隔层、电池壳体，所述正极为镓基或汞基液态合金，所述负极为碱金属液态合金，所述间隔层为离子液体，所述正极、负极、间隔层均置于电池壳体内，自下向上布置正极、间隔层和负极。本发明提出的电池的负极为碱金属液体合金，正极为镓基或汞基液体合金，电解质为离子液体，在室温下这三类材料均为液态，无需加热和保温装置，可实现真正的室温液态金属电池。

Description

一种室温液态金属电池
技术领域
本发明属于电化学储能电池领域，具体涉及一种基于室温液态金属的电池及其制备方法。
背景技术
随着能源和环境问题的日益突出，可再生能源(如风能、太阳能等)在降低温室气体排放和实现可持续发展方面扮演着越来越重要的角色。由于可再生能源在并网时可能会导致电网的不稳定，所以迫切需要发展大规模储能技术。储能按照工作原理可以分为物理储能、化学储能和其它形式的储能，其中化学储能主要是研发高效的大规模电池体系，例如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等。
以低熔点金属做电极的液态金属电池的研究由来已久，负极材料一般采用电负性较小的碱金属和碱土金属，例如锂、钠、钾、镁、钙等，正极材料则是电负性较大的铋、碲、锑、铅等，工作温度通常在数百摄氏度。例如，D.R.Sadoway等人在《Journal of the AmericanChemical Society》杂志上发表的一篇文章《Magnesium-Antimony LiquidMetal Battery for Stationary Energy Storage》中报道了一个由镁(Mg)做负极，锑(Sb)做正极，电解质为MgCl2-KCl-NaCl的电池，为实现其“全液态金属电池”的要求，工作温度需为700℃以上，其优点在于成本低，结构简单，储能性能优良等。然而这种电池的缺点也是显而易见的，例如电池外壳设计需要考虑保温和加热的问题，电池在高温下运行时性能衰减较快等。
发明内容
针对现有液态金属电池结构复杂，工作温度较高及潜在的安全风险问题，本发明的目的是提供一种室温液态金属电池。
本发明的另一个目的是提供由所述室温液体电池组成的电池组
本发明的另一目的是提出所述室温液态金属电池的制备方法。
为实现本发明上述目的的技术方案为：
一种室温液态金属电池，包括正极、负极、间隔层、电池壳体，所述正极为镓基或汞基液态合金，所述负极为碱金属液态合金，所述间隔层为离子液体，所述正极、负极、间隔层均置于电池壳体内，自下向上布置正极、间隔层和负极。
其中，所述正极为熔点低于30℃的镓基或汞基液态合金；所述负极为熔点低于30℃的碱金属液态合金；所述正极连接有正极引出部件，所述正极引出部件的一端伸出所述电池壳体；所述负极连接有负极引出部件，所述负极引出部件的一端伸出所述电池壳体；所述正极引出部件和负极引出部件互相独立地为铜、银、铂中的一种材料制成。
具体地，正极金属可以是汞、镓铟合金Ga75.5In24.5(75.5％镓，24.5％铟)、镓铟锡合金(68.5％的镓，21.5％的铟和10％的锡)、镓Ga中熔有1％的铋中的一种。负极液态金属可以为钠钾合金(20-40％Na和60-80％的K)。
其中，所述离子液体的熔点低于30℃；所述离子液体的密度大于所述负极的碱金属液态合金，而小于正极的镓基或汞基液态合金。
进一步地，所述离子液体中分散有质量含量0.1-30％的碱或盐，所述碱为NaOH和/或KOH中的一种或多种，所述盐为KCl，AlCl3，NaCl，K2SO4，Na2SO4或NaClO4中的一种或多种。
其中，所述离子液体可以是烷基季铵类离子液体、烷基季瞵类离子液体、1,3-二烷基取代的咪唑类离子液体、N-烷基取代的吡啶类离子液体中的一种。所述正极、间隔层、负极的厚度的比例为(1-6)：(1-4)：(1-6)。
其中，在所述液态金属电池内，负极上覆盖有一层无水溶剂，所述无水溶剂为煤油或液体石蜡，
或，在所述液态金属电池内，负极上方与电池壳体之间充有惰性保护气体，所述惰性保护气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的一种或多种。
其中，所述电池壳体为1-3层结构，与正极、负极和间隔层接触的一层的壳体材质为塑料或玻璃。即，对于两层以上的壳体，最内层的壳体材质为塑料或玻璃。
本发明所述的液态金属电池的制备方法，其特征在于，在电池壳体内顺序加入正极、间隔层和负极的材料，在负极液态金属之上覆盖一层无水溶剂，或密封电池壳体后内抽真空，或在密封电池壳体内在负极液态金属上方填充惰性保护气体。
由本发明所述的液态金属电池组成的电池组。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、电池的负极为碱金属液体合金，正极为镓基或汞基液体合金，电解质为离子液体，在室温下这三类材料均为液态，无需加热和保温装置，可实现真正的室温液态金属电池。
2、负极金属元素位于周期表最左端，具有较小的电负性，正极金属材料位于周期表右端，电负性较大，理论上讲，所选负极电负性越小，正极电负性越大，电池的电动势和输出能量密度越大。
3、离子液体的密度大于碱金属液体合金，而小于镓基或汞基液体合金，三种材料在组成电池时，在容器中自然分为三层，结构简单，便于设计制造液态金属电池组。
附图说明
图1为液态金属电池的结构示意图；
图2为实施例6液态金属串联电池组的结构示意图；
图3为实施例7液态金属并联电池组的结构示意图；
图4为实施例8液态金属混联电池组的结构示意图。
图中：1、正极液态金属；2、离子液体；3、负极液态金属；4、封装层；5、电池外壳；6、电池负极引出极片；7、电池正极引出极片；8、单体电池；9、串联电池组负极极柱；10、串联电池组正极极柱；11、并联电池组负极极柱；12、并联电池组正极极柱；13、混联电池组负极极柱；14、混联电池组正极极柱。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不应用来限制本发明的范围。
如无特别说明，实施例中使用的手段均为本领域常规的手段。
实施例中，离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)和1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TF2N)购自上海成捷化学有限公司，属于咪唑类离子液体。
实施例1
液态金属电池包括正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3三部分，三部分液体依次接触，自下而上为正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3。正极液态金属1为熔点为15.6℃，密度为6.3g/cm-3的镓铟合金GaIn24.5；负极液态金属3为熔点为-12.6℃，密度为0.855g/cm-3的钠钾合金Na23.3K76.7；离子液体2为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)，熔点为-52.3℃，密度为1.34g/cm-3，离子液体2的密度大于负极液态金属3，而小于正极液态金属1。
本液态金属电池的制备过程为：在电池外壳5内顺序加入正极、间隔层和负极的材料，在负极液态金属之上覆盖一层液体石蜡，正极液态金属1厚度为4mm，离子液体2的厚度为2mm，负极液态金属3的厚度为4mm，液态金属电池的封装层4为在负极液态金属3之上覆盖的液体石蜡；液态金属电池外壳5为不与负极液态金属3、离子液体2、正极液态金属1反应的玻璃；电池负极引出极片6和电池正极引出极片7的材料为铜。液态金属电池的结构示意图如图1所示。
组装完成后，测得本液态金属电池的开路电压为1.9V。
实施例2
正极液态金属1厚度为5mm，离子液体2的厚度为3mm，负极液态金属3的厚度为5mm，液态金属电池的封装层4为在负极液态金属3之上覆盖的液体石蜡；液态金属电池外壳5为不与负极液态金属3、离子液体2、正极液态金属1反应的玻璃；电池负极引出极片6和电池正极引出极片7的材料为铜。液态金属电池的结构示意图如图1所示。其他材料和制备方法同实施例1。
本液态金属电池的开路电压为1.9V。
实施例3
正极液态金属1厚度为5mm，离子液体2的厚度为3mm，负极液态金属3的厚度为5mm，离子液体中添加有5％的KCl(占离子液体的质量比)。液态金属电池的封装层4为在负极液态金属3之上覆盖的液体石蜡；液态金属电池外壳5为双层结构，内层为塑料，外层为不锈钢，可以实现紧固的密封；电池壳体顶部开孔。通过壳体开孔抽真空、用氩气置换后，向电池壳体内顺序加入正极、间隔层和负极的材料后，氩气形成封装层；电池负极引出极片6和电池正极引出极片7的材料为铜。其他材料同实施例1。
本液态金属电池的开路电压为2.0V。
实施例4
液态金属电池包括正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3三部分，三部分液体依次接触，自下而上为正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3。正极液态金属1为熔点为29.8℃，密度为6.05g/cm-3的镓Ga，镓Ga中熔有1％的铋；负极液态金属3为熔点为6.8℃，密度为0.87g/cm-3的钠钾合金Na44K56；离子液体2为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TF2N)，熔点为-15℃，密度为1.53g/cm-3，离子液体2的密度大于负极液态金属3，而小于正极液态金属1。
液态金属电池的封装层4为在负极液态金属3之上覆盖的一层煤油；本液态金属的电池外壳5为不与负极液态金属3、离子液体2、正极液态金属1反应的塑料；电池负极引出极片6和电池正极引出极片7的材料为铜。液态金属电池的结构示意图如图1所示。
实施例5
液态金属电池包括正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3三部分，三部分液体依次接触，自下而上为正极液态金属1、离子液体2、负极液态金属3。正极液态金属1为熔点为-38℃，密度为13.6g/cm-3的汞Hg；负极液态金属3为熔点为6.8℃，密度为0.87g/cm-3的钠钾合金Na44K56；离子液体2为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TF2N)，熔点为-15℃，密度为1.53g/cm-3，离子液体2的密度大于负极液态金属3，而小于正极液态金属1。
液态金属电池的封装方式为在负极液态金属3上方充入惰性保护气体氩气；液态金属电池外壳5为不与负极液态金属3、离子液体2、正极液态金属1反应的塑料；电池负极引出极片6和电池正极引出极片7的材料为银。
实施例6
液态金属串联电池组由4个单体电池8组成，每个单体电池8的结构同实施例1所述，4个电池单元8正负极顺次串接，即构成串联电池组，串联电池组负极极柱9和串联电池组正极极柱10的材料为铜。电池组的结构示意图如图2所示。
实施例7
液态金属并联电池组由4个单体电池8组成，每个单体电池8的结构同实施例2所述，4个单体电池8的负极引出极片均连接至并联电池组负极极柱11，单体电池8的正极引出极片连接至并联电池组正极极柱12，并联电池组负极极柱11和并联电池组正极极柱12的材料为铂金(Pt)。
本实施例并联电池组结构见图3。
实施例8
液态金属混联电池组由12个单体电池8组成，每个单体电池8的结构同实施例3所述，每4个单体电池8串联连接，共组成3个串联电池组，然后将这3个串联电池组的负极极柱互相连接并引出混联电池组负极极柱13，串联电池组的正极极柱互相连接并引出混联电池组正极极柱14，混联电池组负极极柱13和混联电池组正极极柱14的材料为铜。
本实施例电池组结构见图4。
虽然，上文中已经本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种室温液态金属电池，其特征在于，包括正极、负极、间隔层、电池壳体，所述正极为镓基或汞基液态合金，所述负极为碱金属液态合金，所述间隔层为离子液体，所述正极、负极、间隔层均置于电池壳体内，自下向上布置正极、间隔层和负极。
2.根据权利要求1所述的室温液态金属电池，其特征在于，所述正极为熔点低于30℃的镓基或汞基液态合金；所述负极为熔点低于30℃的碱金属液态合金；所述正极连接有正极引出部件，所述正极引出部件的一端伸出所述电池壳体；所述负极连接有负极引出部件，所述负极引出部件的一端伸出所述电池壳体；所述正极引出部件和负极引出部件互相独立地为铜、银、铂中的一种材料制成。
3.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述离子液体的熔点低于30℃；所述离子液体的密度大于所述负极的碱金属液态合金，而小于正极的镓基或汞基液态合金。
4.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述离子液体中分散有质量含量0.1-30％的碱或盐，所述碱为NaOH和/或KOH，所述盐为KCl，AlCl3，NaCl，K2SO4，Na2SO4或NaClO4中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的液态金属电池，其特征在于，所述离子液体可以是烷基季铵类离子液体、烷基季瞵类离子液体、1,3-二烷基取代的咪唑类离子液体、N-烷基取代的吡啶类离子液体中的一种；所述正极、间隔层、负极的厚度的比例为(1-6)：(1-4)：(1-6)。
6.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，在所述液态金属电池内，负极上覆盖有一层无水溶剂，所述无水溶剂为煤油或液体石蜡。
7.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，在所述液态金属电池内，负极上方与电池壳体之间充有惰性保护气体，所述惰性保护气体为氩气、氮气、氦气、氖气中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述电池壳体为1-3层结构，与正极、负极和间隔层接触的一层的壳体材质为塑料或玻璃。
9.权利要求1-8任一所述的液态金属电池的制备方法，其特征在于，在电池壳体内顺序加入正极、间隔层和负极的材料，在负极液态金属之上覆盖一层无水溶剂，或密封电池壳体后内抽真空，或在密封电池壳体内在负极液态金属上方填充惰性保护气体。
10.由权利要求1-9任一所述的液态金属电池组成的电池组。
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