一種室溫液態(tài)金屬電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種包括正極、負(fù)極、間隔層、電池殼體，所述正極為鎵基或汞基液態(tài)合金，所述負(fù)極為堿金屬液態(tài)合金，所述間隔層為離子液體，所述正極、負(fù)極、間隔層均置于電池殼體內(nèi)，自下向上布置正極、間隔層和負(fù)極。本發(fā)明提出的電池的負(fù)極為堿金屬液體合金，正極為鎵基或汞基液體合金，電解質(zhì)為離子液體，在室溫下這三類材料均為液態(tài)，無需加熱和保溫裝置，可實(shí)現(xiàn)真正的室溫液態(tài)金屬電池。
【專利說明】
一種室溫液態(tài)金屬電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于室溫液態(tài)金屬的電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)在降低溫室氣體排放和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面扮演著越來越重要的角色。由于可再生能源在并網(wǎng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定，所以迫切需要發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能按照工作原理可以分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和其它形式的儲(chǔ)能，其中化學(xué)儲(chǔ)能主要是研發(fā)高效的大規(guī)模電池體系，例如鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等。
[0003]以低恪點(diǎn)金屬做電極的液態(tài)金屬電池的研究由來已久，負(fù)極材料一般米用電負(fù)性較小的堿金屬和堿土金屬，例如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣等，正極材料則是電負(fù)性較大的鉍、碲、銻、鉛等，工作溫度通常在數(shù)百攝氏度。例如，D.R.Sadoway等人在《Journal of the AmericanChemical Society》雜志上發(fā)表的一篇文章《Magnesium-Antimony Liquid Metal Batteryfor Stat1nary Energy Storage》中報(bào)道了一個(gè)由鎂(Mg)做負(fù)極，鋪(Sb)做正極，電解質(zhì)為MgCl2-KCl-NaCl的電池，為實(shí)現(xiàn)其“全液態(tài)金屬電池”的要求，工作溫度需為700°C以上，其優(yōu)點(diǎn)在于成本低，結(jié)構(gòu)簡單，儲(chǔ)能性能優(yōu)良等。然而這種電池的缺點(diǎn)也是顯而易見的，例如電池外殼設(shè)計(jì)需要考慮保溫和加熱的問題，電池在高溫下運(yùn)行時(shí)性能衰減較快等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有液態(tài)金屬電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作溫度較高及潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，本發(fā)明的目的是提供一種室溫液態(tài)金屬電池。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供由所述室溫液體電池組成的電池組
[0006]本發(fā)明的另一目的是提出所述室溫液態(tài)金屬電池的制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案為:
[0008]—種室溫液態(tài)金屬電池，包括正極、負(fù)極、間隔層、電池殼體，所述正極為鎵基或汞基液態(tài)合金，所述負(fù)極為堿金屬液態(tài)合金，所述間隔層為離子液體，所述正極、負(fù)極、間隔層均置于電池殼體內(nèi)，自下向上布置正極、間隔層和負(fù)極。
[0009]其中，所述正極為熔點(diǎn)低于30°C的鎵基或汞基液態(tài)合金;所述負(fù)極為熔點(diǎn)低于30°c的堿金屬液態(tài)合金;所述正極連接有正極引出部件，所述正極引出部件的一端伸出所述電池殼體;所述負(fù)極連接有負(fù)極引出部件，所述負(fù)極引出部件的一端伸出所述電池殼體;所述正極引出部件和負(fù)極引出部件互相獨(dú)立地為銅、銀、鉑中的一種材料制成。
[0010]具體地，正極金屬可以是汞、鎵銦合金Ga75.5In24.5(75.5%鎵，24.5%銦)、鎵銦錫合金(6 8.5 %的鎵，21.5 %的銦和1 %的錫)、鎵G a中熔有I %的鉍中的一種。負(fù)極液態(tài)金屬可以為鈉鉀合金(20-40%Na和60-80%的K)。
[0011]其中，所述離子液體的熔點(diǎn)低于30°C;所述離子液體的密度大于所述負(fù)極的堿金屬液態(tài)合金，而小于正極的鎵基或汞基液態(tài)合金。
[00?2]進(jìn)一步地，所述尚子液體中分散有質(zhì)量含量0.1-30 %的堿或鹽，所述堿為NaOH和/或KOH中的一種或多種，所述鹽為1((:1^1(:13，他(:1，1(2304，他2304或他(:104中的一種或多種。
[0013]其中，所述離子液體可以是烷基季銨類離子液體、烷基季瞵類離子液體、I，3_二烷基取代的咪唑類離子液體、N-烷基取代的吡啶類離子液體中的一種。所述正極、間隔層、負(fù)極的厚度的比例為(1-6):(1-4):(1-6)。
[0014]其中，在所述液態(tài)金屬電池內(nèi)，負(fù)極上覆蓋有一層無水溶劑，所述無水溶劑為煤油或液體石蠟，
[0015]或，在所述液態(tài)金屬電池內(nèi)，負(fù)極上方與電池殼體之間充有惰性保護(hù)氣體，所述惰性保護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氖氣中的一種或多種。
[0016]其中，所述電池殼體為1-3層結(jié)構(gòu)，與正極、負(fù)極和間隔層接觸的一層的殼體材質(zhì)為塑料或玻璃。即，對(duì)于兩層以上的殼體，最內(nèi)層的殼體材質(zhì)為塑料或玻璃。
[0017]本發(fā)明所述的液態(tài)金屬電池的制備方法，其特征在于，在電池殼體內(nèi)順序加入正極、間隔層和負(fù)極的材料，在負(fù)極液態(tài)金屬之上覆蓋一層無水溶劑，或密封電池殼體后內(nèi)抽真空，或在密封電池殼體內(nèi)在負(fù)極液態(tài)金屬上方填充惰性保護(hù)氣體。
[0018]由本發(fā)明所述的液態(tài)金屬電池組成的電池組。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0020]1、電池的負(fù)極為堿金屬液體合金，正極為鎵基或汞基液體合金，電解質(zhì)為離子液體，在室溫下這三類材料均為液態(tài)，無需加熱和保溫裝置，可實(shí)現(xiàn)真正的室溫液態(tài)金屬電池。
[0021]2、負(fù)極金屬元素位于周期表最左端，具有較小的電負(fù)性，正極金屬材料位于周期表右端，電負(fù)性較大，理論上講，所選負(fù)極電負(fù)性越小，正極電負(fù)性越大，電池的電動(dòng)勢(shì)和輸出能量密度越大。
[0022]3、離子液體的密度大于堿金屬液體合金，而小于鎵基或汞基液體合金，三種材料在組成電池時(shí)，在容器中自然分為三層，結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)制造液態(tài)金屬電池組。
【附圖說明】
[0023]圖1為液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為實(shí)施例6液態(tài)金屬串聯(lián)電池組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為實(shí)施例7液態(tài)金屬并聯(lián)電池組的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026]圖4為實(shí)施例8液態(tài)金屬混聯(lián)電池組的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1、正極液態(tài)金屬;2、離子液體;3、負(fù)極液態(tài)金屬;4、封裝層;5、電池外殼;6、電池負(fù)極引出極片;7、電池正極引出極片;8、單體電池;9、串聯(lián)電池組負(fù)極極柱；10、串聯(lián)電池組正極極柱；11、并聯(lián)電池組負(fù)極極柱；12、并聯(lián)電池組正極極柱；13、混聯(lián)電池組負(fù)極極柱；14、混聯(lián)電池組正極極柱。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不應(yīng)用來限制本發(fā)明的范圍。
[0029]如無特別說明，實(shí)施例中使用的手段均為本領(lǐng)域常規(guī)的手段。
[0030]實(shí)施例中，離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)和1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([EMHCTF2N)購自上海成捷化學(xué)有限公司，屬于咪唑類離子液體。
[0031]實(shí)施例1
[0032]液態(tài)金屬電池包括正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3三部分，三部分液體依次接觸，自下而上為正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3。正極液態(tài)金屬I為熔點(diǎn)為15.6°C，密度為6.3g/cm—3的鎵銦合金Galn24.5;負(fù)極液態(tài)金屬3為熔點(diǎn)為-12.6°C，密度為0.855g/cm—3的鈉鉀合金Na23.3K76.7;離子液體2為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([ΒΜΠ1]BF4)，熔點(diǎn)為-52.3°C，密度為1.34g/cm—3，離子液體2的密度大于負(fù)極液態(tài)金屬3，而小于正極液態(tài)金屬I。
[0033]本液態(tài)金屬電池的制備過程為:在電池外殼5內(nèi)順序加入正極、間隔層和負(fù)極的材料，在負(fù)極液態(tài)金屬之上覆蓋一層液體石蠟，正極液態(tài)金屬I厚度為4mm，離子液體2的厚度為2_，負(fù)極液態(tài)金屬3的厚度為4_，液態(tài)金屬電池的封裝層4為在負(fù)極液態(tài)金屬3之上覆蓋的液體石錯(cuò);液態(tài)金屬電池外殼5為不與負(fù)極液態(tài)金屬3、離子液體2、正極液態(tài)金屬I反應(yīng)的玻璃；電池負(fù)極引出極片6和電池正極引出極片7的材料為銅。液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0034]組裝完成后，測得本液態(tài)金屬電池的開路電壓為1.9V。
[0035]實(shí)施例2
[0036]正極液態(tài)金屬I厚度為5mm，離子液體2的厚度為3mm，負(fù)極液態(tài)金屬3的厚度為5mm，液態(tài)金屬電池的封裝層4為在負(fù)極液態(tài)金屬3之上覆蓋的液體石蠟;液態(tài)金屬電池外殼5為不與負(fù)極液態(tài)金屬3、尚子液體2、正極液態(tài)金屬I反應(yīng)的玻璃；電池負(fù)極引出極片6和電池正極引出極片7的材料為銅。液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其他材料和制備方法同實(shí)施例1。
[0037]本液態(tài)金屬電池的開路電壓為1.9V。
[0038]實(shí)施例3
[0039]正極液態(tài)金屬I厚度為5mm，離子液體2的厚度為3mm，負(fù)極液態(tài)金屬3的厚度為5mm，離子液體中添加有5 %的KCl (占離子液體的質(zhì)量比)。液態(tài)金屬電池的封裝層4為在負(fù)極液態(tài)金屬3之上覆蓋的液體石蠟;液態(tài)金屬電池外殼5為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為塑料，外層為不銹鋼，可以實(shí)現(xiàn)緊固的密封;電池殼體頂部開孔。通過殼體開孔抽真空、用氬氣置換后，向電池殼體內(nèi)順序加入正極、間隔層和負(fù)極的材料后，氬氣形成封裝層；電池負(fù)極引出極片6和電池正極引出極片7的材料為銅。其他材料同實(shí)施例1。
[0040]本液態(tài)金屬電池的開路電壓為2.0V。
[0041 ] 實(shí)施例4
[O O4 2 ] 液態(tài)金屬電池包括正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3三部分，三部分液體依次接觸，自下而上為正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3。正極液態(tài)金屬I為熔點(diǎn)為29.8°C，密度為6.05g/cm—3的鎵Ga，鎵Ga中熔有I %的鉍；負(fù)極液態(tài)金屬3為熔點(diǎn)為6.8°C，密度為0.87g/cm—3的鈉鉀合金Na44K56;離子液體2為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([EMHCTF2N)，熔點(diǎn)為-15°C，密度為1.53g/cm—3，離子液體2的密度大于負(fù)極液態(tài)金屬3，而小于正極液態(tài)金屬I。
[0043]液態(tài)金屬電池的封裝層4為在負(fù)極液態(tài)金屬3之上覆蓋的一層煤油;本液態(tài)金屬的電池外殼5為不與負(fù)極液態(tài)金屬3、離子液體2、正極液態(tài)金屬I反應(yīng)的塑料;電池負(fù)極引出極片6和電池正極引出極片7的材料為銅。液態(tài)金屬電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
[0044]實(shí)施例5
[O O45 ] 液態(tài)金屬電池包括正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3三部分，三部分液體依次接觸，自下而上為正極液態(tài)金屬1、離子液體2、負(fù)極液態(tài)金屬3。正極液態(tài)金屬I為熔點(diǎn)為_38°C，密度為13.6g/cm—3的汞Hg;負(fù)極液態(tài)金屬3為熔點(diǎn)為6.8°C，密度為0.87g/cm—3的鈉鉀合金Na44K56;離子液體2為1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([ΕΜΠ1] TF2N)，熔點(diǎn)為-15°C，密度為1.53g/cm—3，離子液體2的密度大于負(fù)極液態(tài)金屬3，而小于正極液態(tài)金屬
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[0046]液態(tài)金屬電池的封裝方式為在負(fù)極液態(tài)金屬3上方充入惰性保護(hù)氣體氬氣;液態(tài)金屬電池外殼5為不與負(fù)極液態(tài)金屬3、離子液體2、正極液態(tài)金屬I反應(yīng)的塑料;電池負(fù)極引出極片6和電池正極引出極片7的材料為銀。
[0047]實(shí)施例6
[0048]液態(tài)金屬串聯(lián)電池組由4個(gè)單體電池8組成，每個(gè)單體電池8的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1所述，4個(gè)電池單元8正負(fù)極順次串接，即構(gòu)成串聯(lián)電池組，串聯(lián)電池組負(fù)極極柱9和串聯(lián)電池組正極極柱10的材料為銅。電池組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0049]實(shí)施例7
[0050]液態(tài)金屬并聯(lián)電池組由4個(gè)單體電池8組成，每個(gè)單體電池8的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例2所述，4個(gè)單體電池8的負(fù)極引出極片均連接至并聯(lián)電池組負(fù)極極柱11，單體電池8的正極引出極片連接至并聯(lián)電池組正極極柱12，并聯(lián)電池組負(fù)極極柱11和并聯(lián)電池組正極極柱12的材料為鉑金(Pt)。
[0051 ]本實(shí)施例并聯(lián)電池組結(jié)構(gòu)見圖3。
[0052]實(shí)施例8
[0053]液態(tài)金屬混聯(lián)電池組由12個(gè)單體電池8組成，每個(gè)單體電池8的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例3所述，每4個(gè)單體電池8串聯(lián)連接，共組成3個(gè)串聯(lián)電池組，然后將這3個(gè)串聯(lián)電池組的負(fù)極極柱互相連接并引出混聯(lián)電池組負(fù)極極柱13，串聯(lián)電池組的正極極柱互相連接并引出混聯(lián)電池組正極極柱14，混聯(lián)電池組負(fù)極極柱13和混聯(lián)電池組正極極柱14的材料為銅。
[0054]本實(shí)施例電池組結(jié)構(gòu)見圖4。
[0055]雖然，上文中已經(jīng)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種室溫液態(tài)金屬電池，其特征在于，包括正極、負(fù)極、間隔層、電池殼體，所述正極為鎵基或汞基液態(tài)合金，所述負(fù)極為堿金屬液態(tài)合金，所述間隔層為離子液體，所述正極、負(fù)極、間隔層均置于電池殼體內(nèi)，自下向上布置正極、間隔層和負(fù)極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫液態(tài)金屬電池，其特征在于，所述正極為熔點(diǎn)低于30°C的鎵基或汞基液態(tài)合金;所述負(fù)極為熔點(diǎn)低于30°C的堿金屬液態(tài)合金;所述正極連接有正極引出部件，所述正極引出部件的一端伸出所述電池殼體;所述負(fù)極連接有負(fù)極引出部件，所述負(fù)極引出部件的一端伸出所述電池殼體;所述正極引出部件和負(fù)極引出部件互相獨(dú)立地為銅、銀、鉑中的一種材料制成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，所述離子液體的熔點(diǎn)低于30°C;所述離子液體的密度大于所述負(fù)極的堿金屬液態(tài)合金，而小于正極的鎵基或汞基液態(tài)合金。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，所述離子液體中分散有質(zhì)量含量0.1-30%的堿或鹽，所述堿為似0!1和/或1(0!1，所述鹽為1((:1，八1(:13，似(:1，1(2304，似2304或NaClCU中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，所述離子液體可以是烷基季銨類離子液體、烷基季瞵類離子液體、I，3_二烷基取代的咪唑類離子液體、N-烷基取代的吡啶類離子液體中的一種;所述正極、間隔層、負(fù)極的厚度的比例為(1-6):(1-4): (1-6)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，在所述液態(tài)金屬電池內(nèi)，負(fù)極上覆蓋有一層無水溶劑，所述無水溶劑為煤油或液體石蠟。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，在所述液態(tài)金屬電池內(nèi)，負(fù)極上方與電池殼體之間充有惰性保護(hù)氣體，所述惰性保護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氖氣中的一種或多種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池，其特征在于，所述電池殼體為1-3層結(jié)構(gòu)，與正極、負(fù)極和間隔層接觸的一層的殼體材質(zhì)為塑料或玻璃。9.權(quán)利要求1-8任一所述的液態(tài)金屬電池的制備方法，其特征在于，在電池殼體內(nèi)順序加入正極、間隔層和負(fù)極的材料，在負(fù)極液態(tài)金屬之上覆蓋一層無水溶劑，或密封電池殼體后內(nèi)抽真空，或在密封電池殼體內(nèi)在負(fù)極液態(tài)金屬上方填充惰性保護(hù)氣體。10.由權(quán)利要求1-9任一所述的液態(tài)金屬電池組成的電池組。
【文檔編號(hào)】H01M4/38GK106025249SQ201610573221
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日
【發(fā)明人】王磊, 劉靜
【申請(qǐng)人】云南科威液態(tài)金屬谷研發(fā)有限公司