[发明专利]液流锂硫二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能装置领域，具体涉及一种液流锂硫二次电池。

背景技术

动力与能源是国民经济发展的基础，石油和其它矿物资源的日趋减少已成为制约经济发展的瓶颈。研究和发展新型高性能化学物理电源不仅为可再生能源的开发和利用提供保证，也为国防现代化的建设提供强有力的技术支撑。智能化步兵、信息通信、航空航天以及制导导弹和鱼雷等多需要高可靠和高能密度的化学电源。

单质硫作为正极材料，用金属锂作为负极组成锂硫电池的理论电池为2.537V，单质硫的电化学活性物质的理论比容量为1672mAh/g，理论能量密度高达4242Wh/kg，这一数值远远高于目前所报道的材料LiCoO₂、LiNiO₂、LiCo_yNi_1-yO₂、Li_xFePO₄等。并且单质硫资源十分丰富，原材料廉价，对环境基本无污染，是未来高性能化学电源理想的正极材料之一。

Li/S电池中存在活性物质利用率低和循环性能差，这都是由于S和Li₂S的绝缘性引起的；再者，放电时形成的聚硫化合物溶解到电解液中，造成活性物质损失，容量逐渐衰减；另外，生成无序的Li₂S₂和Li₂S完全不可逆反应也导致了电池性能恶化。

液流电池是指电池正负极反应物中至少一方为液态流体的电化学储能装置。与传统静态二次电池相比，液流电池的单电池或半电池电极只是反应发生的场所而不是活性物质储存的地点，不存在通常二次电池复杂的相变化，因此液流电池循环寿命长，可靠性高。由于活性物质存储于电解液中，储能容量取决于储液罐的容积和活性物质的浓度，兼具高功率与大容量的特点。液流电池上述优点能较好地弥补静态锂硫二次电池中存在众多问题。

发明内容

本发明的目的在于利用液流电池的优点，克服静态锂硫二次电池中存在的不足，提供一种容量高、循环稳定的液流锂硫二次电池。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的。

本发明涉及一种液流锂硫二次电池，所述液流锂硫二次电池包括电池单体或多个电池单体串联组成的电堆，正极储液罐，正极循环泵和正极流体管道；所述电池单体内由隔膜分隔成正极腔和负极腔，所述正极腔内包含硫正极和正极电解液，所述负极腔内包含锂负极和负极电解液，所述硫正极为流体电极；所述电池单体的正极腔通过所述正极流体管道与正极循环泵、正极储液罐依次相连通。

优选地，所述锂负极为流体电极，所述锂负极的活性物质为金属锂粉；所述液流锂硫二次电池还包括负极储液罐，负极循环泵和负极流体管道，所述电池单体的负极腔通过所述负极流体管道与负极循环泵、负极储液罐依次相连通。

优选地，所述锂负极为静态电极，所述锂负极的活性物质为金属锂片或金属锂粉。

优选地，所述硫正极的活性物质为单质硫S₈、多硫化锂Li₂S_n(2≤n≤8)中的一种或两种。

优选地，所述硫正极的活性物质为碳/硫复合物，所述硫占活性物质总重的重量百分比含量为20～99％，所述碳为石墨、乙炔黑、中间相碳微球、热解碳、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或几种。

优选地，所述硫正极的活性物质为导电聚合物/硫复合材料，所述硫占活性物质总重的重量百分比含量为20～99％，所述导电聚合物为聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种或几种。

优选地，所述正极电解液和负极电解液分别由有机溶剂和锂盐组成。

优选地，所述有机溶剂为二氧五环、二氧六环、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、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜、甲基乙基砜、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、2，5-二甲基四氢呋喃、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氟代碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。

优选地，所述锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲基酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双乙二酸硼酸锂中的一种或几种。

优选地，所述硫正极的集流体分别为金属板、金属箔、金属网、金属泡沫或碳材料，所述金属为铝、铜或不锈钢；所述碳材料为碳纸、碳毡、石墨、乙炔黑、中间相碳微球、热解碳、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或几种。