[发明专利]一种高固含量半固态电极，其制备方法及包含该电极的锂浆料液流电池

说明书

本发明涉及一种高固含量半固态电极的组成、制备方法及其锂浆料液流电池。所述电极由活性材料、导电剂、表面接枝有极性烷基链的纳米结构分散剂、电解液组成和集流体构成，其特点在于，该半固态电极中活性物质颗粒的质量占比可达浆料体系的90％，且分散剂与导电剂共同吸附在活性物质颗粒表面，一方面减小了活性物质与电解液的直接接触、降低了副反应的可能性，提高了电池库伦效率；另一方面，纳米结构的分散剂有效降低了半固态电极的粘度及剪切强度，因而同一固含量下电极具有更好的流动性，有利于降低浆料液流电池电极流动过程中的功耗。该电极用于锂浆料液流电池，可提升电池首次库伦效率和能量密度，有利于电池的长期、稳定循环。

技术领域

本发明涉及半固态电极及锂离子储能电池制造技术领域，尤其涉及一种高固含量的半固态电极的组成、制备方法及其锂浆料液流电池。

背景技术

随着经济社会的快速发展，化石能源等不可再生资源快速被消耗，同时也带来了CO₂大量排放、环境污染等问题，以风能、太阳能为代表的新能源电力能否有效的利用，已成为关系国计民生的重要问题。储能电站是新能源电力应用的关键，不仅可以减少弃风、弃光，还可以有效提升电能质量，对安全、智能电网的建设至关重要。

锂离子电池(LIBs)和液流电池(FBs)是目前应用最广的两种储能电池。其中LIBs具有能量密度高、成本低、安全环保等特点，然而其在规模应用对电池一致性要求高、电池管理系统复杂且安全性较差，不适用于百MW以上规模级电站。全钒液流电池(VRB)是FBs的代表，其具有易于规模化、能量与功率单独可控等优势，近年来在国内外均有应用，但其同样存在非常突出的问题：由于采用活性物质的水溶液做电解液，受限于溶解度及水的凝固，其能量密度仅为LIBs的1/5，且高价V离子毒性较强。在这样的背景下，锂浆料液流电池(LSFB)应运而生，其结合了LIB与FB的特点，采用锂离子电池的活性材料，且能量被储存在半固态的浆料电极中，因此具有能量密度高、易于规模化制备等特点，是一种非常有应用前景的新型储能电池。

LSFB之所以具有较高的能量密度，一方面是由于采用了具有较高比容量和充放电电压的电极材料，另一方面，是由于突破了溶解度的限制，活性物质被分散在电解液形成悬浮状的“浆料”或半固态电极，因此，如何制备稳定、不沉降、且具有较高固(活性物质)含量的半固态电极是提高浆料电池能量密度和循环寿命的关键。CN104040764B公开了一种具有多孔集流体的半固体电极电池及其制造方法，发明人采用陶瓷工业和胶体化学常见的表面活性剂和分散剂，如硬脂酸、TX100等来促进活性物质科里尼在三维集流体中的分散。同一发明人稍后还在CN105074965B与CN107871842A中公布了改善该半固态电极倍率性能的方法，通过严格控制导电剂用量和分散方式、分散时间，所得的浆料有较好的长期稳定性，且采用此极片的电池在C/4的倍率下有约7mAh/cm²以上的面积比容量，从而有效提升了电池的能量密度。

本发明提供了一种高固含量半固态电极的组成、制备方法及其锂浆料液流电池的解决方案。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高固含量半固态电极的组成、制备方法及其锂浆料液流电池的解决方案，有望在提高半固态电极中活性物质含量的同时保障其流动性能与稳定性、减少界面副反应，从而提升电池能量密度与能量转化效率。

第一方面，本发明提供了一种适用于锂浆料液流电池的高固含量电极及其制备方法，所述电极由活性物质、导电剂、分散剂和电解液组成的浆料涂覆在集流体上组成，其特点在于，所述分散剂可包覆在活性物质表面，改善浆料的流变性能，且活性物质在浆料中的质量占比在30％～90％之间。

具体的，所述活性物质为粒径在50nm～30μm的嵌入型电极材料，如含有活性锂的钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、镍锰酸锂(LNMO)、三元材料(NCM)中一种或一种以上的组合；或不含锂的人造石墨(AG)、天然石墨(NG)、中间相炭微球(MCMB)中一种或一种以上的组合。