[发明专利]具有含LixSy的电极的储能系统

说明书

优先权

本发明要求于2012年3月28日提交的题为“具有含Li_xS_y的电极的储能系统”的美国专利申请第13/432,166号的优先权。

关于联邦政府资助的研究或发展的声明

本发明是在由美国能源部授予的合同DE-AC0576RLO1830的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。

背景技术

锂硫储能系统可具有最高达2300Wh/kg的能量密度，这远远超过常规Li离子电池的能量密度。然而，Li-S电池的实际应用仍因存在由于严重的自放电和活性S的损失而产生的若干挑战而受到限制，这通常导致较差的循环和/或储存寿命。因此，需要对高能量密度的锂硫储能系统进行改进。

发明内容

本文描述了一种储能系统，所述储能系统使用Li_xS_y作为所述系统的电极的组分。在一个实施方案中，储能系统可包括第一电极集流体、第二电极集流体和分隔第一电极集流体和第二电极集流体的离子渗透隔膜。第二电极位于第二电极集流体和隔膜之间。第一电极位于第一电极集流体和隔膜之间，且第一电极包含含Li_xS_y的第一凝聚相流体。

本文所用的凝聚相流体可以包括基本上不呈气相的可流动材料。实例可以包括但不限于液体、液态溶液、固体以及液体和固体的混合物，所述液体和固体的混合物例如悬浮液、浆料、乳液、胶束和凝胶。然而，本发明的实施方案不一定必须排除少量蒸汽的存在，例如，蒸汽可以与凝聚相流体的平衡形式存在或者作为在储能装置运行期间的次要反应产物存在。

电极通常可以指含有活性材料、导电材料、添加的粘合剂和集流体的固体材料。有时，电极也可以包含导电添加剂和粘合剂的方式使用。在液流电池中，活性材料是流体且可以流动和/或替换。活性材料通常是指电解质的一部分。集流体与电解质和活性材料电接触。本文所用的电极通常指的是与物理状态无关的活性材料。例如，活性材料如果溶解在电解质或者以固相存在，则称之为电极。除非由上下文规定，电极不一定是指集流体、导电添加剂或者粘合剂。此外，考虑到本文包含对原电池和二次电池的描述，为了清楚且为了避免术语阴极、阳极、阴极电解液和阳极电解液的固定含义，电极明确称为正极和负极。

在优选的实施方案中，硫是储能系统中的电化学活性物质，而不仅仅是嵌入、存储、转换化合物中的一种元素。在本文所用的电化学活性物质是指能够在电化学反应中改变其氧化态的材料。在一些实施方案中，对于Li_xS_y，y为约1至约8。优选地，y为约3至约8。在一些实施方案中，x为0至约4。例如，第一凝聚相流体可以是包含可溶性Li_xS_y的液体溶液。或者，第一凝聚相流体也可以是包含不溶性Li_xS_y的悬浮液，其中x为0至约4。

在一些实施方案中，储能装置可以包含液态电解质和位于隔膜的第一电极一侧的固相硫物质。Li_xS_y可以是固相硫物质和液态电解质的反应产物。在一个实例中，固相硫物质可以包含嵌入到固体基质材料中的颗粒。在具体的实施方案中，固体基质材料可以包含碳。固体基质材料的实例可以包括但不限于碳毡、科琴黑(Ketjenblack)、石墨烯和其他多孔碳材料。根据一个实施方案，固体基质也可用作第一电极集流体。

第二电极可以是固定电极。或者，其可包含第二凝聚相流体。在一个优选的实施方案中，第二电极可以包含锂。第二电极可以包含锂嵌入材料、锂转换材料或者含有两者。