[发明专利]用于液态和半液态金属储能电池的正极材料

说明书

技术领域

本发明属于储能电池的电极材料，具体涉及一类用于液态和半液态金属电池的正极材料。

背景技术

风能和太阳能等可再生能源的开发和利用一直是能源领域关注的焦点，但目前风能和太阳能发电的有效并网依然存在着很大的挑战，大规模储能是应对这一挑战的关键技术之一。因此，近年来高效廉价大规模储能电池体系的研发成为电化学储能领域的热点，如改性铅酸电池，锂离子电池，钠硫电池等。然而，目前电化学储能技术的多项储能参数特别是价格和寿命等都无法满足当前的储能市场需求。以目前比较看好的钠硫电池和全钒液流电池储能技术为例，其成熟技术投资成本分别约是3000元/kWh和5000元/kWh，离市场预期(1500元/kWh)还有较大的差距。

近年来，美国麻省理工学院D.R.Sadoway教授的团队提出“全液态金属电池”(Liquid Metal Battery)应用于电网大规模储能的新概念。全液态金属电池的基本特征是：电池正负极均由廉价金属材料构成，电解质为简单无机盐，电池在300℃～700℃运行，运行时正负极金属和电解质均是液态，由于熔盐电解质、正极和负极液态金属互不相溶且密度不同，三层液态自动分层。在此概念基础上，该团队于2012年在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)的文章《Magnesium-Antimony Liquid Metal Battery for Stationary Energy Storage》中报道了由廉价的镁(负极)和锑(正极)构成的全液态金属储能电池。测试表明，该电池拥有成本底，寿命长，结构简单，容易放大等优良储能特性，是一种很有潜力新型储能电池技术。

然而，镁和锑的熔点较高，分别为650℃和631℃。为了满足其“全液态金属电池”的设计要求，该电池的运行温度需在700℃以上；该电池的放电电压较低，大约只有0.4V；且高温运行时电池性能衰减较快；同时，液态锑合金有较强的腐蚀性，与负极金属形成复杂的金属间化合物容易造成电池短路；且锑金属对环境的影响限制了其大面积的推广。

发明内容

本发明提供一类用于液态和半液态金属电池的正极材料，解决现有液态金属电池运行温度高，工作电压低，腐蚀性强及对环境污染的问题。

本发明所提供的用于液态和半液态金属电池的正极材料，其特征在于：

其为金属Sn或者Sn与Sb、Pb、Bi、Te中的一种或者一种以上单质形成的Sn合金，其摩尔百分比为：

Sn_50～100Sb_50～0、Sn_50～100Pb_50～0、Sn_50～100Bi_50～0、Sn_75～100Te_25～0、Sn_50～100Sb_0～10Pb_50～0、Sn_50～100Sb_0～30Bi_50～0、Sn_75～100Sb_25～0Te_0～10、Sn_50～100Pb_0～30Bi_50～0、Sn_50～100Pb_50～0Te_0～10、Sn_75～100Bi_0～20Te_0～10，其中各组分摩尔百分比相加等于100％。

采用本发明的金属电极储能电池，包括壳体、正极、电解质、负极和集流器，所述壳体为底端封闭的金属筒，金属筒筒壁涂覆绝缘陶瓷层或者在金属筒内加装绝缘陶瓷管，绝缘陶瓷层内或绝缘陶瓷管内自下而上依序置放有正极、电解质和负极，负极内包裹有平板状的集流器，所述壳体上端面由顶盖封闭，与所述集流器连接的负极引线穿过顶盖的中心孔并与顶盖绝缘，所述集流器为多孔泡沫金属材料。

本发明所提供的正极材料制备方法简单，当其为Sn合金时，以所述摩尔比称量金属Sn和有关原料，机械混合后放入陶瓷坩埚或金属坩埚，将盛有混合料的坩埚放于加热炉中，在真空或者惰性气体保护条件下进行合金化反应，即可得到合金材料。