CN107528051A - 一种锂氯气一次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂氯气一次电池，该电池包括扣合为一体的正极盖体和负极壳体，扣合锁紧后内部构成电池收容腔室，该收容腔室内设有正极极片、负极极片以及吸附有电解液的隔膜；正极极片包括正极集流体和涂覆在该正极集流体上的正极活性物质层，正极活性物质层由多孔碳材料和粘结剂混合制成，正极活性物质为氯气，负极活性物质为锂，正极盖体和负极壳体扣合部镶设有O型密封圈，负极壳体上设有进气通道和出气通道，正极极片和负极极片上均套有弹簧。本发明提供了一种新型的化学电源，利用工业废氯气放电，可应用在涉氯企业等场合，处理废氯气过程简单，符合国家节能环保的理念。

Description

一种锂氯气一次电池
技术领域
本发明属于化学电源领域，涉及一种一次电池，具体涉及一种锂氯气一次电池。
背景技术
氯碱行业、自来水厂、有机合成等涉氯企业涉及强刺激剧毒气体氯气废气的产生，必须进行相应处理，氯气的直接排放或泄漏将造成巨大的环境污染和人员伤害。目前处理废氯气的常规手段是烧碱吸收法，即通过烧碱吸收废氯气并生产次氯酸钠产品。此方法需要使用大型的化工设备，占地面积大，能耗高。
随着化学电源广泛用于日常生活各领域，新型化学电源的研究日益引起研究者的兴趣。锂一次电池是一种高能化学原电池，应用领域非常广泛，其正极活性物质主要是金属氧化物或其他固体、液体氧化剂，以氯气作为正极活性物质的锂一次电池未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂氯气一次电池，可回收利用废氯气制成锂一次电池。
为实现上述目的，本发明的一种锂氯气一次电池，该电池包括扣合为一体的正极盖体和负极壳体，正极盖体和负极壳体扣合锁紧后内部构成电池收容腔室，该收容腔室内设有正极极片、负极极片以及吸附有电解液的隔膜；
所述正极极片包括正极集流体和涂覆在该正极集流体上的正极活性物质层，所述正极活性物质层由多孔碳材料和粘结剂混合制成，正极活性物质为氯气，所述正极集流体呈倒置T型，正极集流体上套有弹簧Ⅱ，弹簧Ⅱ置于正极盖体与正极集流体下端之间；
所述负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，负极活性物质为锂，所述负极集流体呈T型，其上端端面设有凹槽，负极活性物质层和隔膜自下而上依次设置在凹槽内，负极集流体上套有弹簧Ⅰ，弹簧Ⅰ置于负极壳体与凹槽之间；
所述正极盖体和所述负极壳体扣合部镶设有O型密封圈，所述负极壳体的左下侧设有进气通道，进气通道连接进气阀，所述负极壳体的右上侧设有出气通道，出气通道连接出气阀。
因为氯气具有强氧化性，为了防止负极活性物质锂和氯气长期接触被氧化，同时也对隔膜上的电解液起一定的保护作用，作为进一步改进，所述电池还包括负极保护层，所述负极保护层设置在凹槽上方邻近所述正极活性物质层一侧。优选的，所述负极保护层为LISICON型固体电解质。
优选的，所述多孔碳材料选自活性炭、超导碳、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种混合物。碳材料的作用主要为正极反应提供反应界面，也为放电产物提供存储空间，同时亦具有较好的电子传输能力，即导电性。
优选的，所述负极活性物质层的材料选自锂金属、锂金属合金、锂金属氧化物中的一种或几种混合物。
优选的，所述隔膜选自Celgard系列膜或玻璃纤维滤纸。
进一步，所述电解液由电解质锂盐和非水有机溶剂组成。优选的，所述电解质锂盐选自LiN(CF3SO2)2或LiClO4，锂盐浓度为0.5～1mo/L，所述非水有机溶剂选自四乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一种或几种混合物。
本发明的锂-氯气电池作为一次电池，其正极反应物为氯气，放电时，正极侧发生如下反应：2Li++Cl2+2e-→2LiCl；负极侧发生如下反应：2Li→2Li++2e-。
本发明提供了一种新型的化学电源，以氯气作为正极活性物，利用工业废氯气放电，可应用在涉氯企业等场合，处理废氯气过程简单，符合国家节能环保的理念。
附图说明
图1是本发明的锂氯气一次电池结构示意图；
图2是本实施例1的放电曲线图；
图3是本实施例2的放电曲线图；
图中，1-正极活性物质层，2-隔膜，3-负极活性物质层，4-进气阀，5-出气阀，6-正极集流体，7-负极集流体，8-负极保护层，9-1-弹簧Ⅰ，9-2-弹簧Ⅱ，10-螺母，11-正极盖体，12-负极壳体，13-进气通道，14-出气通道，15-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种锂氯气一次电池，正极极片采用超导碳黑Super P和粘结剂聚四氟乙烯乳液按质量比7:3混合打浆，制成稳定浆料，直接涂覆于正极集流体6上干燥制成，正极集流体6采用泡沫镍集流体，负极集流体7采用铜棒，负极活性物质层3采用金属锂片，负极保护层8为LISICON型固体电解质，电解液由LiN(CF3SO2)2溶于四乙二醇二甲醚制成，隔膜2采用玻璃纤维滤纸。
如图1所示，所述电池包括扣合为一体的正极盖体11和负极壳体12，正极盖体11和负极壳体12扣合部镶设有O型密封圈，正极盖体11和负极壳体12扣合锁紧后内部构成电池收容腔室，该收容腔室内设有正极极片、负极极片及吸附有电解液的隔膜2；正极集流体6呈倒置T型，正极集流体6上套有弹簧Ⅱ9-2，弹簧Ⅱ9-2置于正极盖体11与正极集流体6下端之间，负极集流体7呈T型，其上端端面设有凹槽15，负极活性物质层3和隔膜2自下而上依次设置在凹槽15内，负极集流体7上套有弹簧Ⅰ9-1，弹簧Ⅰ9-1置于负极壳体12与凹槽15之间；所述负极壳体12的左下侧设有进气通道13，进气通道13连接进气阀4，所述负极壳体12的右上侧设有出气通道14，出气通道14连接出气阀5。
该电池的组装过程在氩气手套箱中进行。具体组装的过程为：先将套有弹簧Ⅰ9-1的负极集流体7放置在负极壳体12内，凹槽15内依次放置负极活性物质层3和吸附有电解液的隔膜2，在凹槽15上方放置负极保护层8，在负极保护层8上方放置正极极片，正极极片上涂覆正极活性物质层1的一侧与负极保护层8接触，正极集流体6上套弹簧Ⅱ9-2，盖上正极盖体11，分别通过正极盖体11和负极壳体12上所带外螺纹和螺母10，拧紧电池，压缩弹簧Ⅰ9-1和弹簧Ⅱ9-2，保持整个电池的连接与密封。螺母10与正极盖体11和负极壳体12的结合处均镶设有O型密封圈。将安装好的锂氯气电池从手套箱取出，打开进气阀4和出气阀5，从进气通道13通入氯气，对电池收容腔室内的氩气进行置换，氩气从出气通道14排出，当收容腔室内全部充满氯气时，依次关闭出气阀5和进气阀4，连接测试电路对锂氯气一次电池进行放电测试。
图2为此锂氯气一次电池在0.1mA/cm2电流下的放电曲线，开路电压约为4V，放电极化较大，明显出现放电反应的电压远低于其理论平衡电位3.98V，放电截止电压为3V，最终放电容量约为0.068mAh。
实施例2
本实施例的锂氯气一次电池，结构同实施例1类似，正极极片采用超导碳黑SuperP加粘结剂聚四氟乙烯乳液按质量比7:3混合打浆，制成稳定浆料，直接涂覆于正极集流体6上干燥制成，正极集流体6采用泡沫镍集流体，负极集流体7采用铜棒，负极活性物质层3采用金属锂片，负极保护层8为LISICON型固体电解质，不同之处在于：电解液由LiClO4溶于乙二醇二甲醚制成，隔膜2采用Celgard系列膜。该电池的组装过程同实例1。
图3为此锂氯气一次电池在0.5mA/cm2电流下的放电曲线，随着放电电流增大，放电极化进一步增大，未出现明显的放电平台，放电到达截止电压3V时，最终放电容量约为0.025mAh。
除上述实施例1和实施例2中提及的超导碳黑Super P以外，还可以采用活性炭、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等多孔碳材料制作正极极片。负极活性物质层3的材料除金属锂片外，还可以采用在放电过程中提供锂离子的锂金属合金、锂金属氧化物如钛酸锂(Li4Ti5O12)等。

Claims (8)

1.一种锂氯气一次电池，该电池包括扣合为一体的正极盖体(11)和负极壳体(12)，正极盖体(11)和负极壳体(12)扣合锁紧后内部构成电池收容腔室，该收容腔室内设有正极极片、负极极片以及吸附有电解液的隔膜(2)；其特征在于，
所述正极极片包括正极集流体(6)和涂覆在该正极集流体(6)上的正极活性物质层(1)，所述正极活性物质层(1)由多孔碳材料和粘结剂混合制成，正极活性物质为氯气，所述正极集流体(6)呈倒置T型，正极集流体(6)上套有弹簧Ⅱ(9-2)，弹簧Ⅱ(9-2)置于正极盖体(11)与正极集流体(6)下端之间；
所述负极极片包括负极集流体(7)和负极活性物质层(3)，负极活性物质为锂，所述负极集流体(7)呈T型，其上端端面设有凹槽(15)，负极活性物质层(3)和隔膜(2)自下而上依次设置在凹槽(15)内，负极集流体(7)上套有弹簧Ⅰ(9-1)，弹簧Ⅰ(9-1)置于负极壳体(12)与凹槽(15)之间；
所述正极盖体(11)和所述负极壳体(12)扣合部镶设有O型密封圈，所述负极壳体(12)的左下侧设有进气通道(13)，进气通道(13)连接进气阀(4)，所述负极壳体(12)的右上侧设有出气通道(14)，出气通道(14)连接出气阀(5)。
2.根据权利要求1所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述电池还包括负极保护层(8)，所述负极保护层(8)设置在所述凹槽(15)上方邻近所述正极活性物质层(1)一侧。
3.根据权利要求2所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述负极保护层(8)为LISICON型固体电解质。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述多孔碳材料选自活性炭、超导碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或几种混合物。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述负极活性物质层(3)的材料选自锂金属、锂金属合金、锂金属氧化物中的一种或几种混合物。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述隔膜(2)选自Celgard系列膜或玻璃纤维滤纸。
7.根据权利要求1至3任一项所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述电解液由电解质锂盐和非水有机溶剂组成。
8.根据权利要求7所述的一种锂氯气一次电池，其特征在于，所述电解质锂盐选自LiN(CF3SO2)2或LiClO4，所述非水有机溶剂选自四乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的一种或几种混合物。
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