[发明专利]一种锂-硫半液流电池

说明书

本发明公开一种锂‑硫半液流电池，包括液流硫正极区、锂金属负极区、隔膜；液流硫正极区包括工作电极、多硫化锂阴极电解液；工作电极包括活性材料、导电剂、粘结剂和集流体；活性材料为Ni/C复合材料、Pt/C复合材料或Ptsubgt;3/subgt;Ni/C复合材料；多硫化锂阴极电解液由多硫化锂溶于锂硫电解液中组成；锂金属负极区包括锂金属负极、锂硫电解液，锂金属负极为锂金属或锂金属合金；隔膜为单离子膜；本发明的锂‑硫半液流电池，由于同时具有高能量密度、高功率密度和长寿命，不仅可作为电动汽车或混合电动车等各种机器的电源，还可以作为电网大规模储能装置而广泛利用。

技术领域

本发明涉及电化学能源领域，尤其涉及一种高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂-硫半液流电池。

背景技术

近几十年来，太阳能、潮汐能和风能的使用已经增加，并且低二氧化碳排放量的电动车一直在推广发展中。因此，为了有效利用可再生能源，开发高性能、安全、廉价且环境友好的能量转换和存储系统势在必行。这些储能系统中发展比较好的是锂离子电池和超级电容器。锂离子电池是用于存储电能的常见电化学装置。然而，尽管锂离子电池取得了商业上的成功，但它们无法满足电动工具、电动汽车和可再生能源的高效存储设备等应用所需的高功率需求。相比之下，超级电容器除了提供比传统介电电容器更高的能量密度之外，还表现出应用于大功率的系统的前景，因为它们能瞬间提供比电池更高的功率密度。然而，超级电容器的能量密度仍然不足以满足需要高能量和高功率密度的新型应用。

为了克服这些缺点，对锂离子电池的研究集中于电极材料改善，例如，使用硅负极和富锂正极。然而，这些材料自身存在若干缺陷，包括低的首圈库仑效率、不令人满意的倍率性能、差的循环寿命、差的热特性和明显的电压衰减。事实上，已经证明替代电池系统，例如锂空气电池，锂硫电池和钠/镁离子电池，在能量/功率密度、安全性和成本方面优于锂离子电池。然而，这些系统也存在各自的缺点。如锂硫电池在充放电过程中，由于其中间体的溶解穿梭，造成电池活性物质利用率下降和循环寿命缩短；同时，由于活性物质硫和硫化锂的导电性差，导致了电池的倍率性能较差，为了改善导电性，需要添加大量的导电添加剂，导致了活性物质的含量降低，从而使电池的体积能量密度较低及难以发挥锂硫电池的高能量密度。因此，为了解决这些问题，最近提出了一类新的锂-硫液流电池系统。此系统包括使用具有电催化活性的工作电极、多硫化锂阴极电解液、隔膜以及包括锂金属负极和常规锂硫电解液的负极区。虽然此锂-硫半液流电池拥有高的能量密度和功率密度，但是必须解决工作电极的催化活性和稳定性问题，以及隔膜的选择性，才能实现其商业应用。

发明内容

本发明提供一种高能量密度、高功率密度和长寿命的锂-硫半液流电池，包括液流硫正极区、锂金属负极区、隔膜。

所述液流硫正极区包括工作电极、多硫化锂阴极电解液。

所述工作电极包括能催化多硫化锂转化的活性材料、导电剂、粘结剂和集流体；所述能催化多硫化锂转化的活性材料、导电剂和粘结剂的质量比为8:1:1；所述导电剂和粘结剂为商业化电池常用产品，优选Super p作导电剂、优选聚偏二氟乙烯(PVDF)作粘结剂；所述集流体为铝箔、不锈钢网和碳纸等常用集流体中的一种或自支撑，优选不锈钢网。

所述能催化多硫化锂转化的活性材料为Ni/C复合材料、Pt/C复合材料、Pt₃Ni/C复合材料等负载Ni、Pt、Pt₃Ni的导电载体。

所述多硫化锂阴极电解液由多硫化锂溶于锂硫电解液中组成，多硫化锂的浓度为0.1mol/L～2mol/L，优选1mol/L；锂硫电解液的溶剂为分子式为R(CH₂CH₂O)n-R'的多醚类，其中，n=1-6，R和R'为甲基或乙基，溶质为二氟草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂或六氟磷酸锂，锂硫电解液的浓度为1mol/L。