CN108390110A - 一种铅-锰二次电池 - Google Patents
一种铅-锰二次电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108390110A CN108390110A CN201810240336.3A CN201810240336A CN108390110A CN 108390110 A CN108390110 A CN 108390110A CN 201810240336 A CN201810240336 A CN 201810240336A CN 108390110 A CN108390110 A CN 108390110A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lead
- manganese
- ion
- carbon
- secondary battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/20—Semi-lead accumulators, i.e. accumulators in which only one electrode contains lead
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Cell Separators (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本发明属于电化学技术领域,具体涉及一种铅‑锰二次电池。该二次电池包括:以铅为活性物质的负极,以二氧化锰为活性物质的正极,硫酸溶液电解液,多孔隔膜;本发明中,正极反应基于电极活性物质的溶解沉积反应,反应速率不受离子在电极晶体结构内部的扩散控制,表现出超高的功率密度;负极反应为稳定可靠的铅/硫酸铅转化反应,不存在枝晶问题,具有高稳定循环寿命。与现有商业化的铅酸电池体系相比,本发明的电池体系减少了一半铅的用量,可被称为半铅电池,其快速充放性能和循环寿命也均远优于现有的铅酸电池体系,因此可部分取代现有铅酸电池的市场。
Description
技术领域
本发明属电池技术领域,具体涉及一种铅-锰二次电池。
背景技术
二十一世纪以来,全球不断增加的能源需求使得世界原油供应日益紧缩,使用化石燃料产生的环境问题,如全球变暖,越来越严重的雾霾天气,也越来越引起人们的重视。现今世界各国明确指出加快提升水能、风能、太阳能、生物质能等可再生能源比重,要集中力量在可再生能源开发利用特别是新能源并网技术和储能技术上取得突破。然而,由于可再生能源(如风能,太阳能和潮汐能等)具有间歇性,其不连续,不稳定的特点加大了其大规模并入电网的难度,为了提高可再生能源的利用率,发展大规模储能电池系统是有效的途径之一。
目前有望应用于大型储能的电池体系可以被简单分为基于无水电解液电池体系和基于水溶液电解质的电池体系。例如,传统的锂离子电池采用无水有机溶液作为电解液,表现出高的工作电压。然而,高毒性且易燃的有机电解液会造成电池爆炸的危险,这一个问题在大型储能领域更为突出。采用水溶液电解液则可以大幅度提升电池工作的安全性,其主要原因是含水电解液自身不可燃。因此,基于水溶液电解液的铅酸电池、镍-镉电池、镍氢电池、全钒液流电池、锌-溴液流电池以及近期发展起来的水系锂离子/钠离子电池等有望更加广泛地应用于大型储能领域。然而,就成本而言,铅酸电池的价格远远低于其他的水系电池体系,因此更加适用于大规模的应用。但是,铅酸电池具有污染性,降低或杜绝铅的使用,成为迫在眉睫的问题。另一方面,铅酸电池的快速充电过程受PbSO4/PbO2的转换速率影响,无法满足快速储能的需求。此外,传统铅酸电池的循环寿命仍远低于大型储能的需求。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提出一种铅-锰二次电池体系,以降低铅的用量,提升体系的快速充放性能,实现超长循环寿命。
本发明提出的铅-锰二次电池体系,包括:以铅为活性物质的负极,以二氧化锰为活性物质的正极,硫酸溶液电解液,以及介于正负极之间的多孔隔膜。工作原理如图1所示,放电时,正极的二氧化锰得到电子,还原为二价锰离子,并溶于电解液中,同时负极铅给出电子,并被氧化生成硫酸铅;充电时,正极区的二价锰离子(Mn2+) 失去电子被氧化成固态的二氧化锰,并沉积在正极集流体上,负极硫酸铅得到电子被还原成金属铅;充电和放电,循环交替进行。该电池的电极反应总结如下:
放电过程(图1(a)):
正极:MnO2 + 4H+ + 2e-→ Mn2+ + 2H2O ;负极:Pb + SO4 2-→ PbSO4 + 2e- ;
充电过程(图1(b)):
正极:Mn2+ + 2H2O→ MnO2 + 4H+ + 2e- ;负极:PbSO4 + 2e-→ Pb + SO4 2- 。
该电池正极包含集流体和二氧化锰活性材料。二氧化锰活性材料可以通过化学或电化学的方法直接沉积在的集流上,也可以将二氧化锰粉末、导电碳粉或碳纤维、作为粘结剂的聚四氟乙烯通过分通过混合成膜或者成浆料的方式,压制或者涂覆在集流体上。正极活性物质二氧化锰可以是任何晶型的二氧化锰,包括α, β, γ, δ和尖晶石型等,也可以是无定型的二氧化锰。所述正极集流体为具有高电子电导的固体网络,可以是碳毡、碳纸、碳布、石墨毡、石墨烯膜、石墨烯网、碳纳米管膜、碳纳米管纸、导电活性碳膜、介孔碳膜、导电石墨板、导电石墨网、钛网、镍网、铝网、不锈钢网、铅网、铅格板、铅合金格板中的一种或几种的复合物。上述正极集流体,其表面还可以被石墨烯、介孔碳、碳纳米管、活性炭、聚苯胺、聚吡咯、锰的氧化物中的一种或几种修饰。
该电池的负极,为填满海绵状铅的铅格板或铅合金隔板,即和现有铅酸电池的负极完全相同。其制备过程可以是:将铅粉、硫酸、硫酸铅构成铅膏涂覆在铅格板或铅合金格板内,通过反复的直流电充放电,形成海绵铅。上述负极,除了含有海绵铅、格板,还可以含有少量的碳材料,其重量比含量低于20%,比如为5-20%。这里所述的碳材料可以是石墨烯、介孔碳、碳纳米管、活性炭中的一种或几种。
该电池电解液为硫酸溶液,硫酸浓度在0.01-10 mol/L之间。上述电解液,其还可以部分含有锰离子(Mn2+)、铅离子(Pb2+),其中锰离子浓度在0.01 ~ 10 mol/L之间,铅离子浓度在0.001 ~ 2 mol/L之间。除了含有锰离子(Mn2+),铅离子(Pb2+)和氢离子(H+),还可以包括锂离子、钾离子、钠离子、镁离子、锌离子、锡离子和铋离子中的一种或几种,其浓度为0.01-10 mol/L。上述电解液,除了含有硫酸根(SO4 2-)阴离子,还可以包含的硝酸根(NO3 -)、高氯酸根(ClO4 -)、磷酸根(PO4 3-)、磷酸一氢根(HPO4 2-)、磷酸二氢根(H2PO4 -)、次亚磷酸根(HPO2 -)、亚磷酸根(HPO3 2-)、醋酸根([CH3COO]−) 、碳酸根(CO3 2-)、碳酸氢根(HCO3 -)、氯离子(Cl-)、溴离子(Br-)中的一种或几种,其相应的离子浓度在0.001 mol/L到10 mol/L之间。如图2所述,上述电解液,可以静止地储存在电池中,也可以通过外加水泵进行循环流动,用于消除充电时锰离子,铅离子和氢离子消耗所造成的浓差极化。
该电池的隔膜主要是用于防止正负极接触的电子绝缘多孔膜,可以是多孔聚合物膜、滤纸、玻璃纸、无纺布中的一种或几种复合物。
本发明的特点在于,正极反应基于电极活性物质的溶解沉积反应,电极反应速率不受离子在电极晶体结构内部的扩散控制,表现出超高的功率密度;负极反应为稳定可靠的铅/硫酸铅转化反应,不存在枝晶问题,具有高稳定循环寿命。与现有商业化的铅酸电池体系相比,本发明的电池体系减少了一半铅的用量,其快速充放性能和循环寿命也均远优于现有的铅酸电池体系,因此有望部分取代现有铅酸电池的市场。
附图说明
图1铅-锰电池充放电原理图。其中,(a)为放电过程,(b)为充电过程。
图2铅-锰电池电解液的搁置方式。其中,(a)密封电池形式 (b)液流电池形式 。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:新型铅-锰电池,正极:沉积了二氧化锰的碳毡材料,负极:填充了海绵状铅的铅格板,电解液:2M硫酸。
该例中正极集流体采用沉积了二氧化锰的碳毡,电解液为2 mol/L 硫酸溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),经过90圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到99%,能够稳定循环15000次。
实施例2:新型铅-锰电池,正极:沉积了二氧化锰的碳纸,负极:填充了海绵状铅的铅格板,电解液:2M硫酸。
该例中正极集流体采用沉积了二氧化锰的碳纸,电解液为2 mol/L 硫酸锰酸溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),经过60圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到97%,能够稳定循环10000次。
实施例3:新型铅-锰电池,正极:沉积了二氧化锰的导电石墨板,负极:填充了海绵状铅的铅格板,电解液:2M硫酸 + 1M MnSO4溶液。
该例中正极集流体采用沉积了二氧化锰的导电石墨板,电解液为2 mol/L 硫酸 +1M MnSO4溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),经过50圈循环后库伦效率达到100%。在30mA/cm2放电的情况下库伦效率达到98%,能够稳定循环12000次。
实施例4:新型铅-锰电池,正极:碳毡材料,负极:硫酸铅多孔电极,电解液:1M硫酸+2M硫酸锰。
该例中负极为硫酸铅多孔电极,正极为导电碳毡材料,电解液为含有1mol/L 硫酸和2mol/L 硫酸锰的水溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。该电池需预充电,首先恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),然后10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,经过70圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到98%,能够稳定循环13000次。
实施例5:新型铅-锰电池,正极:碳毡材料,负极:沉积了硫酸铅的碳毡材料,电解液:1M硫酸+2M硫酸锰。
该例中负极为沉积了硫酸铅的碳毡材料,正极为导电碳毡材料,电解液为含有1mol/L 硫酸和2mol/L 硫酸锰的水溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。该电池需预充电,首先恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),然后10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,经过70圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到99%,能够稳定循环13000次。
实施例6:新型半铅单液铅-锰电池,正负极集流体均为碳毡材料,电解液:2M硝酸铅+2M硝酸锰+1M硝酸。
该例中正负极集流体均采用碳毡材料,电解液为含有2 mol/L 硝酸锰和2 mol/L硝酸。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。该电池需预充电,首先恒压1.6 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),然后10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,经过70圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到97%,能够稳定循环5000次。
实施例7:新型铅-锰电池,正极:沉积了二氧化锰的碳毡材料,负极:填充了海绵状铅的铅格板,电解液:2M硫酸+1 mol/L 硫酸锰+0.5 M 硫酸锂。
该例中正极集流体采用沉积了二氧化锰的碳毡材料,负极为填充了海绵状铅的铅格板,电解液为含有2 mol/L 硫酸,1 mol/L 硫酸锰和0.5 mol/L Li2SO4的水溶液。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,恒压1.4 V充电至9 mAh (1 mAh/cm2),经过70圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到99%,能够稳定循环15000次。
实施例8:新型铅-锰液流电池,正极:沉积了二氧化锰的碳毡材料,负极:填充了海绵状铅的铅格板,电解液:2M硫酸。
该例中正极集流体采用沉积了二氧化锰的碳毡材料,负极为填充了海绵状铅的铅格板,电解液为含有2 mol/L 硫酸,电解液储存于储液罐中,工作时泵如电池体系中,电解液搁置方式为液流电池形式。隔膜为无纺布,仅起到防止正负极接触短路的作用。10 mA/cm2电流密度下放电至0.6V,恒压1.6 V充电9 mAh (1 mAh/cm2),经过50圈循环后库伦效率达到100%。在30 mA/cm2放电的情况下库伦效率达到99%,能够稳定循环17000次。
表1. 采用不同正负极及电解液的双沉积/溶解电池性能
。
Claims (12)
1.一种铅-锰二次电池,其特征在于,包括:以铅为活性物质的负极,以二氧化锰为活性物质的正极,硫酸溶液电解液,以及介于正负极之间的多孔隔膜;放电时,正极的二氧化锰得到电子,还原为二价锰离子,并溶于电解液中,同时负极铅给出电子,并被氧化生成硫酸铅;充电时,正极区的二价锰离子失去电子被氧化成固态的二氧化锰,并沉积在正极集流体上,负极硫酸铅得到电子被还原成金属铅;充电和放电,循环交替进行。
2.根据权利要求1所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述正极包含集流体和二氧化锰活性材料;其中,二氧化锰通过化学或电化学的方法直接沉积在的集流上,或者将二氧化锰粉末、导电碳粉或碳纤维、作为粘结剂的聚四氟乙烯通过混合成膜或者成浆料的方式,压制或者涂覆在集流体上;所述二氧化锰是任何晶型的二氧化锰,或者是无定型的二氧化锰。
3.根据权利要求2所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的正极集流体为具有高电子电导的固体网络,选自碳毡、碳纸、碳布、石墨毡、石墨烯膜、石墨烯网、碳纳米管膜、碳纳米管纸、导电活性碳膜、介孔碳膜、导电石墨板、导电石墨网、钛网、镍网、铝网、不锈钢网、铅网、铅格板、铅合金格板中的一种或几种的复合物。
4.根据权利要求3所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的正极集流体,其表面被石墨烯、介孔碳、碳纳米管、活性炭、聚苯胺、聚吡咯、锰的氧化物中的一种或几种修饰。
5.根据权利要求1-4之一所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的负极,为填满海绵状铅的铅格板或铅合金隔板;所述海绵状铅是将铅粉、硫酸、硫酸铅构成铅膏涂覆在铅格板或铅合金格板内,通过反复的直流电充放电形成。
6.根据权利要求5所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的负极,还含有碳材料,碳材料重量比含量低于20%;所述的碳材料是石墨烯、介孔碳、碳纳米管、活性炭中的一种或几种。
7. 根据权利要求1-4之一所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的电解液,硫酸浓度在0.01-10 mol/L之间。
8.根据权利要求7所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的电解液,还含有锰离子,铅离子,其中锰离子浓度在0.01 ~ 10 mol/L之间,铅离子浓度在0.001 ~ 2 mol/L之间。
9.根据权利要求8所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的电解液,还含有锂离子、钾离子、钠离子、镁离子、锌离子、锡离子和铋离子中的一种或几种,其浓度为0.01-10 mol/L。
10. 根据权利要求9所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的电解液,除了含有硫酸根阴离子,还包含的硝酸根、高氯酸根、磷酸根、磷酸一氢根、磷酸二氢根、次亚磷酸根、亚磷酸根、醋酸根、碳酸根、碳酸氢根、氯离子、溴离子中的一种或几种,其相应的离子浓度在0.001 mol/L到10 mol/L之间。
11.根据权利要求1-4、8、9、10之一所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的电解液,静止地储存在电池中,或者通过外加水泵进行循环流动,用于消除充电时锰离子,铅离子和氢离子消耗所造成的浓差极化。
12.根据权利要求11所述的铅-锰二次电池,其特征在于,所述的隔膜是多孔聚合物膜、滤纸、玻璃纸、无纺布中的一种或几种复合物。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810240336.3A CN108390110B (zh) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 一种铅-锰二次电池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810240336.3A CN108390110B (zh) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 一种铅-锰二次电池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108390110A true CN108390110A (zh) | 2018-08-10 |
CN108390110B CN108390110B (zh) | 2020-10-30 |
Family
ID=63068035
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810240336.3A Active CN108390110B (zh) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 一种铅-锰二次电池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108390110B (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111082086A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-28 | 中银(宁波)电池有限公司 | 一种高电压锌锰电池及其制备方法 |
CN111342148A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-06-26 | 湖南源达新材料有限公司 | 一种基于电化学冶金原理的二氧化锰电池 |
CN114628798A (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-14 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于铅酸电池脱硫的运动产生泵 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130101898A1 (en) * | 2011-10-19 | 2013-04-25 | Terrill B. Atwater | Lead manganese-based cathode material for lithium electrochemical systems |
CN104638300A (zh) * | 2013-11-08 | 2015-05-20 | 苏州宝时得电动工具有限公司 | 电池 |
CN105576277A (zh) * | 2014-10-17 | 2016-05-11 | 清华大学 | 可充电电池 |
-
2018
- 2018-03-22 CN CN201810240336.3A patent/CN108390110B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130101898A1 (en) * | 2011-10-19 | 2013-04-25 | Terrill B. Atwater | Lead manganese-based cathode material for lithium electrochemical systems |
CN104638300A (zh) * | 2013-11-08 | 2015-05-20 | 苏州宝时得电动工具有限公司 | 电池 |
CN105576277A (zh) * | 2014-10-17 | 2016-05-11 | 清华大学 | 可充电电池 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111082086A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-28 | 中银(宁波)电池有限公司 | 一种高电压锌锰电池及其制备方法 |
CN111342148A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-06-26 | 湖南源达新材料有限公司 | 一种基于电化学冶金原理的二氧化锰电池 |
CN114628798A (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-14 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于铅酸电池脱硫的运动产生泵 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108390110B (zh) | 2020-10-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108428926B (zh) | 正负两极均为沉积/溶解反应的铜-锰水系二次电池 | |
CN105609754B (zh) | 一种双正极材料及水系二次电池 | |
CN110190243A (zh) | 一种具有复合膜的锂金属负极的制备及应用 | |
CN102903917B (zh) | 一种水溶液电解液可充电锌离子电池 | |
CN104795567B (zh) | 基于碘离子溶液正极和有机物负极的水系锂离子/钠离子电池 | |
CN103022577A (zh) | 一种水系可充钠离子电池 | |
CN103219551A (zh) | 一种水系碱金属离子储能器件 | |
CN103441260B (zh) | 一种水系碱性电化学储能器件 | |
WO2021208299A1 (zh) | 一种水系钠基混合离子二次电池 | |
Pan et al. | Preliminary study of alkaline single flowing Zn–O2 battery | |
CN106981371A (zh) | 一种水系电解质超级电容电池 | |
CN104795564B (zh) | 一种水溶液二次电池的正极材料、极片、二次电池和用途 | |
CN112928343B (zh) | 一种适用于大规模储能应用的水系铜离子电池 | |
CN110265656A (zh) | 一种以硫单质或硫化物为正极的水系锌离子二次电池 | |
CN104347894A (zh) | 一种沉积型水系锂离子电池 | |
CN103094627A (zh) | 电池 | |
CN110112473A (zh) | 一种高盐浓度水溶液钾-钠混合离子电池和应用 | |
CN112234195A (zh) | 一种可充放电水系锌离子全电池 | |
CN104064824A (zh) | 一种水系可充放电池 | |
CN113678218B (zh) | 水系混合超级电容 | |
CN103094583A (zh) | 电池及电池集流体的处理方法 | |
CN108390110A (zh) | 一种铅-锰二次电池 | |
CN113782710A (zh) | 一种高性能可充放电水系锌碘电池及其制备方法 | |
CN112259722A (zh) | 一种水系混合离子二次电池及其制备方法和应用 | |
CN112952212A (zh) | 水系二氧化锰-金属二次电池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |