[发明专利]液态金属柔性电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学储能电池领域，具体涉及一种液态金属柔性电池及其制作方法。

背景技术

随着经济的发展，化石能源不断消耗，能源短缺的问题日益突出，发展可再生能源已经成为一个重要的解决途径，但是由于这些能源的不连续性，需要有专门的储能装置进行能量的存储和转换。目前的储能技术有电磁储能、相变储能、电化学储能等多种方式，其中电化学储能技术包括镍氢电池、锂离子电池、液流电池、铅酸电池、钠硫电池技术等。

Bradwell等提出了液态金属电池的概念(D.J.Bradwell,H.Kim,A.H.C.Sirk,D.R.Sadoway.Magnesium-AntimonyLiquidMetalBatteryforStationaryEnergyStorage.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2012,134(4):1895-1897.)，采用锑和镁分别为正、负极，电解质为MgCl2-KCl-NaCl。其原理为氧化还原反应，在电池放电时负极的镁原子被氧化为镁离子和电子(Mg→Mg2++2e-)，电子通过外电路流向正极，同时镁离子溶入液态的电解质，在正极被还原为镁原子(Mg2++2e-→Mg)，沉积在正极表面，充电过程与之相反。然而由于锑和镁的熔点较高，所以该液态金属的工作温度在700摄氏度以上，这样高的温度使其不适合应用于常温的情况。在此基础上，又有一些不同合金电极体系被相继提出，但它们仍均主要限于熔点在数百度左右的高温金属及熔融盐，且电解质溶液均为熔融盐类物质，鲜有用到水溶液类电解质，从而无法采用诸如微流体制备等技术实现相应的电池。也因如此，制作成的电池必须采用能够承载高温液态金属的容器。显然，此类电池最终使用装置是以刚体电池的形式存在的，因而不适用于在诸如可穿戴技术、移动应用等需要采用金属流体和水溶性电解液的柔性电池的场合。但是，迄今，业界尚无此种柔性电池。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用金属流体和水溶性电解液的柔性电池及其制作方法，以适用于诸如可穿戴技术、移动应用等场合。

为此目的，一方面，本发明提出一种液态金属柔性电池，所述电池包括至少一个由柔性材料制成的电池单元，

所述电池单元由依次排列的第一液态金属腔室、电解液腔室和第二液态金属腔室组成，所述第一液态金属腔室和电解液腔室、以及所述电解液腔室和第二液态金属腔室之间通过具有筛孔结构的绝缘材料隔开，所述第一液态金属腔室内填充有第一液态金属，所述电解液腔室内填充有水溶性电解液，所述第二液态金属腔室内填充有第二液态金属，所述电解液通过所述筛孔与所述第一液态金属和第二液态金属接触，且所述筛孔两侧中任一侧的液体均不能通过所述筛孔渗入另一侧，所述第一液态金属腔室上设有第一电极导孔，所述第二液态金属腔室上设有第二电极导孔，所述第一电极导孔中无缝隙的固定有第一电极，所述第二电极导孔中无缝隙的固定有第二电极，所述第一电极的一端与所述第一液态金属接触，另一端用于外连接，所述第二电极的一端与所述第二液态金属接触，另一端用于外连接。

另一方面，本发明提出一种液态金属柔性电池的制作方法，包括如下步骤：

设计液态金属柔性电池的电池单元的结构，并采用3D打印或微流体制备的方法制作至少一个电池单元；

在温度高于预设的熔点的环境下，用注射器将第一液态金属、水溶性电解液和第二液态金属通过所述电池单元的注射孔分别注入到所述电池单元的第一液态金属腔室、电解液腔室和第二液态金属腔室中，并使所述电解液通过所述电池单元的筛孔充分接触第一液态金属和第二液态金属，其中，所述预设的熔点不小于所述第一液态金属的熔点和第二液态金属的熔点中的较大值；

在注射完毕后，将所述注射孔和所述电池单元的排气孔用密封塞进行密封，在所述电池单元的第一电极导孔和第二电极导孔中分别放入第一电极和第二电极，使所述第一电极的一端与所述第一液态金属接触，所述第二电极的一端与所述第二液态金属接触，并将所述第一电极和第二电极固定于所述电池单元的支撑结构上；

将单个电池单元作为目的液态金属柔性电池，或者将至少两个电池单元通过串联或者并联的方式进行连接，并将连接后的结构作为目的液态金属柔性电池。