CN106169586A - 一种液流电池系统及其正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池领域，旨在提供一种液流电池系统及其正极材料的制备方法。正极材料的制备包括以下步骤：制备作为正极活性物质的多硫化锂，制备包含正极活性物质和电解液的正极材料。应用此正极材料的电池系统以多硫化锂作为正极活性物质，以固态单质锂板作为负极活性物质。含有正极活性物质的正极材料存储在外部储液罐中，充放电时通过正极外部循环系统进入电堆。负极活性物质固态单质锂板处于静止状态，负极电解液存储在外部储液罐中，充放电时通过负极外部循环系统进入电堆。

Description

一种液流电池系统及其正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源领域，特别涉及一种电池储能系统及其正极材料的制备方法。
背景技术
随着社会与科技的进步，人们的生活方式对电池性能提出了更高要求，世界各国研究者也一直致力于研发更好的化学电源。电池被广泛应用于各个领域，从电动汽车、手持设备到微芯片。锂二次电池是20世纪90年代发展起来的绿色电源，因其具有高可逆容量、高电压、高循环性能和较高能量密度等优异性能而备受青睐，被称为21世纪的主导电源。
锂硫电池是正在开发的锂二次电池体系中具有最高能量密度的一种，尤其近些年，以其不可比拟的高比容量和能量密度以及材料价格低廉、存储量大等优越性受到越来越多的研发人员的重视。传统的锂硫电池，都是将活性物质硫或其化合物固定于正极，假设正极的硫完全转化为硫化锂，则可释放出的理论比容量为1672mAh/g，理论比能量密度为2600Wh/kg，比目前商用的金属氧化物等正极材料高出了数量级的性能，是高性能锂二次电池的代表和方向。有望为电动车、混合动力车、航空航天等高耗能器件提供持久的能量，也可以做成廉价高效的储能系统。
但是，锂硫电池也存在一些问题阻碍了其发展。首先，硫的导电率较低，造成硫活性物质的利用率较低，现有技术无法大规模提高硫正极活性物质的密度，导致电池功率密度较低。其次，在充放电过程中产生的多硫化锂中间产物的穿梭效应使得正极活性材料的流失，也造成了电池无法正常充电，库伦效率降低。此外，沉淀在负极表面的Li2S可加剧负极的腐蚀，从而使负极内部阻抗增加，最终导致电池容量的不可逆衰减。
发明内容
本发明实施例提供一种液流电池系统及其正极材料的制备方法，以解决现有锂硫电池技术当中存在的硫的导电率较低的问题。
本发明的液流电池正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
将固态硫化锂粉末与硫单质按照一定摩尔比混合并溶于有机溶剂当中，加热此混合溶液至50-80℃，并同时进行电磁搅拌1-48小时，反应所得的物质即为正极活性物质Li2Sn；
向制得的含有正极活性物质Li2Sn的有机溶液中加入锂盐，所得有机电解液即作为电池正极材料。
其中，所述Li2Sn为Li2S4，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：3。
其中，所述Li2Sn为Li2S6，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：5。
其中，所述Li2Sn为Li2S8，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：7。
所述有机溶剂的选择范围为乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物。
所述加热方法采取水浴加热。
所述锂盐的选择范围为、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、硝酸锂、多硫化锂中的至少一种。
基于所制得的液流电池正极材料制备的液流电池系统，所述电池系统由电池电堆，正极外部循环系统和负极外部循环系统组装而成；电堆由端板、垫片、负极集流体、负极导电网、锂板、负极导流板、隔膜、正极导流板、正极导电网、正极集流体组合而成；正极外部循环系统由正极储液罐、导流管道、泵组成；负极外部循环系统由负极储液罐、导流管道、泵组成。正极材料采用利用上述液流电池正极材料的制备方法制得的正极材料，负极材料采用固态单质锂板。
正极材料存储在外部储液罐中，充放电时通过正极外部循环系统流入正极反应腔发生电化学反应；负极材料处于负极反应腔内，负极电解液存储在外部储液罐中，充放电时通过负极外部循环系统流入负极反应腔发生电化学反应。
负极电解液的选择范围：乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物。
所述电堆垫片采用发泡聚四氟乙烯材质。
所述电堆的负极集流体采用金属材质，包括：铜、镍、铝。
所述电堆的负极导流板和正极导流板均采用聚四氟乙烯材质。
所述电堆的负极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶。
所述电堆的正极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶。
所述电堆的正极集流体采用金属材质，包括：铝、镍。
所述锂板为固态形式，形状为方形或圆形，厚度为0.1mm-10mm。
所述正极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管。
所述正极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵。
所述正极外部循环系统的正极材料在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min。
所述负极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管。
所述负极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵。
所述负极外部循环系统的负极电解液在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min。
本发明的液流电池正极材料的制备方法直接采用多硫化锂作为正极活性物质，避免了硫从固态单质向S82-可溶离子态转换的过程，能够解决单质硫导电率低的问题，可极大地提高电流密度和功率密度。同时，采用可溶性多硫化物作为正极活性物质，能够消除正极固态物质的存在，使得正极体系为纯液相，大大简化了系统结构，提高了经济性。
本发明的液流电池系统利用上述正极材料改善了现有锂硫电池技术当中存在的硫的导电率较低的问题，并提供了一种比容量大、库伦效率高、循环寿命长的锂硫液流电池系统。
附图说明
图1为本发明实施例中包含有锂硫液流电池正极材料的电池系统结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提出了一种液流电池系统及其正极材料的制备方法。
本发明中包含有多硫化物锂硫液流电池正极材料的电池系统结构如图1所示。电池系统由电堆、正负极外部循环系统组成。储液罐1、导流管道2、泵3组成了正负极外部循环系统。电堆由正极端板4、正极集流体5、正极导电网路6、隔膜7、负极导电网络8、锂板9、负极集流体10、负极端板11组成。正极材料12内部包括本发明提出的多硫化物锂硫液流电池正极材料和正极电解液。
充放电时，正极材料经正极循环系统进入正极反应腔，与负极活性物质锂板发生反应。负极电解液随负极系统在电堆和负极储液罐之间循环，负极活性物质锂板固定在负极反应腔内。
实施方式一：正极材料的制备
将固态硫化锂粉末4.6g与硫单质22.4g(摩尔比为1：7)混合并溶于200ml DOL/DME1:1混溶液当中，水域加热此混合溶液至80℃并同时进行电磁搅拌24h，反应所得的物质即为正极活性物质Li2S8。
向所制得的200ml含有正极活性物质Li2S8的有机溶液中加入47gLiTFSI锂盐，所得有机电解液即作为电池正极材料。
实施方式二：锂硫液流电池构成
将电堆配件进行组装，从负极端至正极端的组装顺序为：端板、垫片、负极集流体、负极导电网、锂板、负极导电网、负极导流板、隔膜、正极导流板、正极导电网、正极集流体、垫片、端板。将组装好的电堆与外部电解液循环系统相连接，即形成锂硫液流电池系统。
实施方式三：锂硫液流电池充放电
将正极材料存储于正极储液罐中，将负极电解液存储于负极储液罐中。正极材料和负极电解液在液流泵的作用下，分别通过正极外部循环系统和负极外部循环系统，进入电池正极反应腔和负极反应腔当中。
电池充电时，发生的总反应式为Li2Sn+mLi＝(2+m)/2Li2S。当n＝8时，m＝14；当n＝6时，m＝10；当n＝4时，m＝6。
电池放电时，发生的总反应式为(2+m)/2Li2S＝Li2Sn+mLi。当n＝8时，m＝14；当n＝6时，m＝10；当n＝4时，m＝6。
在上述实施例的基础上，对制备方法做出以下进一步优化：
有机溶剂的选择范围：乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物；
加热方法采取水浴加热；
锂盐的选择范围：六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、硝酸锂、多硫化锂中的至少一种或多种的混合物。
在上述实施例的基础上，对液流电池系统做出以下进一步优化：
负极电解液的选择范围：乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物；
电堆的垫片采用发泡聚四氟乙烯材质；
电堆的负极集流体采用金属材质，包括：铜、镍、铝；
电堆的负极导流板和正极导流板均采用聚四氟乙烯材质；
电堆的负极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶；
电堆的正极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶；
电堆的正极集流体采用金属材质，包括：铝、镍；
锂板为固态形式，形状为方形或圆形，厚度为0.1mm-10mm；
正极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管；
正极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵；
正极外部循环系统的正极材料在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min；
负极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管；
负极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵；
负极外部循环系统的负极电解液在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围之内，根据本发明的技术方案及其发明构思进行等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (26)

1.一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将固态硫化锂粉末与硫单质按照一定摩尔比混合并溶于有机溶剂当中，加热此混合溶液至50-80℃并同时进行电磁搅拌1-48小时，反应所得的物质即为正极活性物质Li2Sn；
向制得的含有正极活性物质Li2Sn的有机溶液中加入锂盐，所得溶液即作为电池正极材料。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述Li2Sn为Li2S4，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：3。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述Li2Sn为Li2S6，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：5。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述Li2Sn为Li2S8，此时硫化锂与硫单质的摩尔比为1：7。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂的选择范围：乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述加热方法采取水浴加热。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述锂盐的选择范围：六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、硝酸锂、多硫化锂中的至少一种或多种的混合物。
8.基于权利要求1至7任一制备方法制得的液流电池正极材料的液流电池系统，其特征在于，以固态单质锂板作为负极材料，锂硫液流电池正极材料存储在外部储液罐中，充放电时通过正极外部循环系统进入电堆；负极材料固定于负极反应腔内，负极电解液存储在外部储液罐中，充放电时通过负极外部循环系统进入电堆。
9.根据权利要求8所述的液流电池系统，其特征在于，包含电堆。
10.根据权利要求8所述的液流电池系统，其特征在于，包含正极外部循环系统，正极外部循环系统由正极储液罐、导流管道、泵组成。
11.根据权利要求8所述的液流电池系统，其特征在于，包含负极外部循环系统，负极外部循环系统由负极储液罐、导流管道、泵组成。
12.根据权利要求8所述的液流电池系统，其特征在于，所述负极电解液的选择范围：乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1-3-二氧戊烷、硫醚、碳酸酯类溶剂中的至少一种或多种的混合物。
13.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆由端板、垫片、负极集流体、负极导电网、锂板、负极导流板、隔膜、正极导流板、正极导电网、正极集流体组合而成。
14.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的垫片采用发泡聚四氟乙烯材质。
15.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的负极集流体采用金属材质，包括：铜、镍、铝。
16.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的负极导流板和正极导流板均采用聚四氟乙烯材质。
17.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的负极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶。
18.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的正极导电网采用多孔导电材料，包括：泡沫镍、泡沫铝、炭毡、多孔导电橡胶。
19.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆的正极集流体采用金属材质，包括：铝、镍。
20.根据权利要求13所述的液流电池系统，其特征在于，所述锂板为固态形式，形状为方形或圆形，厚度为0.1mm-10mm。
21.根据权利要求10所述的液流电池系统，其特征在于，所述正极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管。
22.根据权利要求10所述的液流电池系统，其特征在于，所述正极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵。
23.根据权利要求10所述的液流电池系统，其特征在于，所述正极外部循环系统的正极材料在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min。
24.根据权利要求11所述的液流电池系统，其特征在于，所述负极外部循环系统的导流管道采用抗有机液材质的管道，包括：蠕动泵软管，R-3603蠕动泵软管，Chemical蠕动泵软管，蠕动泵软管。
25.根据权利要求11所述的液流电池系统，其特征在于，所述负极外部循环系统的泵为蠕动泵、电磁泵、离心泵。
26.据权利要求11所述的液流电池系统，其特征在于，所述负极外部循环系统的负极电解液在循环系统中的流速为0.5-5000ml/min。
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