一种用于电网储能的零应变液固金属电池及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于电网储能的零应变液固金属电池及制作方法，本发明专利技术的电池正极材料采用钛酸锂极片，在充放电过程中正极始终处于全固态，因此正极材料不会成为限制运行温度的因素。于是可以选择熔点更低的中低温熔盐作为电池电解质，使得电池可以在300～400℃的运行温度下运行，显著地降低了电池的运行温度。同时较低的运行温度也降低了电池组模块的保温功率，提高电池组模块的能量效率。本发明专利技术中的钛酸锂正极极片又被称为零应变材料，其尖晶石结构使得金属锂的脱嵌几乎不会对钛酸锂的体积产生，因此本发明专利技术中的正极材料不会出现液态金属电池中的正极形变失效现象，进而显著地降低了正极材料出现短路的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电网储能的零应变液固金属电池及制作方法
本专利技术属于储能电池领域，具体涉及一种用于电网储能的零应变液固金属电池及制作方法。
技术介绍
随着经济的高速发展，传统化石燃料的资源问题与环境问题日益凸显，这些问题也促进了以风能和太阳能为代表的新能源产业地快速发展。凭借着清洁和可再生的优势，风能和太阳能发电受到各界的广泛关注。但是风能和太阳能的间歇性与波动性会影响其电能质量与电力品质，进而面临并网难等问题。同时，随着智能电网时代的到来，传统的电力系统不能很好地满足用户日益提高的用电需求，比如在用电高峰时段电力供不应求，低峰时段供过于求等问题。针对这些问题，大规模电能储存技术应运而生，通过在风能和太阳能能量充足时段储存电能，在其能量匮乏时段释放电能，储能技术可以对新能源发电技术进行“削峰填谷”和平滑输出。同时在电网用电低峰期间储存电能，在电网用电高峰期间释放电能，对电网进行“削峰填谷”，实现电网的稳定输出。大规模的储能技术主要分为抽水储能，压缩空气储能，飞轮储能，超级电容器储能和电池储能等。其中电池储能技术凭借着能量转换效率高，配制及设计灵活，不受环境条件限制等优势，受到人们的广泛重视。目前应用于储能领域的电池技术有改性铅酸电池技术、锂离子电池技术、钠硫电池技术与全钒液流电池技术等。但面临实际的储能市场需求，现有的电池技术仍存在着寿命较短、成本较高等问题。为了满足储能市场对储能电池的要求，美国麻省理工学院教授D.R.Sadoway于2007年提出了“液态金属电池”概念。该全液态金属电池模型采用液态金属作为正负极，液态熔融盐作为电解质，互不相溶性和密度大小差异使得液态金属负极、液态熔融盐和液态金属正极自上而下自然分为三层。这种电池结构使得电池的组装更加简便，降低了制造成本，同时液态金属正负极也会避免出现应力疲劳导致的失效问题以及支晶生长导致的短路问题，因此可以大幅提高电池的循环寿命，同时液态熔融盐电解质的高电导率使得电池可以在高倍率下进行充放电，满足大规模储能技术的高功率要求。但是，除了上述的优点之外，全液态金属电池也存在一些不足，比如成本相对较高，单电池容量比较低等。之所以会存在这些不足，是因为全液态金属电池要求正负极材料在充放电过程中始终保持液体状态。根据正负极材料的相图，这就意味着在正极位置形成的正负极元素合金的组成范围必须在工作温度下处于液相区以内。由于液相区的浓度范围有限并且比较小，正极材料的用量比例比较大，因此这样的要求会造成正极材料的大量消耗，不仅使成本比较高，也在某种意义上减小了单电池的容量。同时为了保证电池正负极与电解质处于全液态，电池必须在较高的温度下运行(300～700℃)，放电功率会有一部分转化为加热功率，用以维持电池在高温下运行，这降低了电池的运行效率，提高了电池的运行成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种用于电网储能的零应变液固金属电池及制作方法，为了达到上述目的，一种用于电网储能的零应变液固金属电池，包括电池底壳和电池顶盖组成的腔体，腔体内从上至下依次设置有正极、陶瓷电解质、负极集流器、不锈钢垫片和弹簧垫圈，正极和负极集流器间通过聚合物垫圈进行绝缘；正极采用钛酸锂材料；负极集流器采用多孔泡沫金属。电池底壳的内径大于电池顶盖的内径。负极集流器采用液态金属锂。一种用于电网储能的零应变液固金属电池的制作方法，包括以下步骤：步骤一，采用金属表面镀膜法或粉末压制法将钛酸锂、导电剂和粘接剂制备成正极极片；步骤二，采用液态金属锂作为负极集流器，钛酸锂与液态金属锂的摩尔比例为1:3；步骤三，把多孔陶瓷隔膜浸入熔融盐中吸附电解质盐，制得多孔的陶瓷电解质；步骤四，把正极极片、陶瓷电解质、负极集流器与弹簧垫圈自上而下依次放入电池底壳中，盖上电池顶壳，对电池外壳进行压制密封制得电池。步骤一中，采用金属表面镀膜法制备正极的具体方法如下：第一步，根据质量百分比取80～90％的钛酸锂、5～10％的导电剂和5～10％的粘接剂，得到混合物A；第二步，在混合物A中加入有机分散剂甲基吡咯烷酮进行分散，粘接剂：有机分散剂＝1g：40ml，搅拌分散获得分散均匀的正极材料混合浆料；第三步，将正极材料混合浆料在分散均匀后涂在金属基片上，对其进行镀膜，制得厚薄均匀的正极浆料涂层；第四步，将正极浆料涂层烘干，除去镀膜中的有机分散剂，初步制得正极镀膜；第五步，对正极镀膜以及金属基片进行轧制，制得能够在电池中稳定存在的致密镀膜，完成正极极片的制备。金属基片的材质为镍或钼。步骤一中，采用粉末压制法制备正极的具体方法如下：第一步，按照质量百分比取20～80％的钛酸锂、0～60％的导电剂和10～30％的粘接剂，混合后搅拌均匀，制得以供压制的正极混合粉末；第二步，把正极混合粉末进行压制，制得压实成型的粉末压制极片；第三步，在真空氛围下对粉末压制极片进行烧结，制得正极极片。电解质盐为氯化锂、氟化锂、溴化锂和溴化钾中至少三种混合而成。与现有技术相比，本专利技术的电池正极材料采用钛酸锂极片，在充放电过程中正极始终处于全固态，因此正极材料不会成为限制运行温度的因素。于是可以选择熔点更低的中低温熔盐作为电池电解质，使得电池可以在300～400℃的运行温度下运行，显著地降低了电池的运行温度。同时较低的运行温度也降低了电池组模块的保温功率，提高电池组模块的能量效率。液态金属电池的正极金属在充电过程中体积会膨胀，在放电过程中体积会收缩，而该现象在充放电过程中会导致正负极间距发生变化，使得电解质的电阻发生变化，进而会对电池充放电电压产生一定的影响。同时如果正极金属形变过于严重，还会导致正负极相接触，出现短路现象，从而使电池失效。而本专利技术中的钛酸锂正极极片又被称为零应变材料，其尖晶石结构使得金属锂的脱嵌几乎不会对钛酸锂的体积产生，因此本专利技术中的正极材料不会出现液态金属电池中的正极形变失效现象，进而显著地降低了正极材料出现短路的风险。本专利技术的方法通过钛酸锂作为电池正极，钛酸锂的零应变特性显著地降低了因正极材料膨胀导致电池短路失效的风险，因此正负极之间的间距可以进一步缩小，这样可以极大地压缩电池内部空间，同时减少熔盐电解质的用量，进而降低电池的成本。正极材料的固态属性，还可以使电池在小幅度倾斜状态下也可以正常运行，这一特性可以避免因液态金属倾斜所导致的短路现象，提高了电池运行的稳定性。较低的运行温度使得电池可以采用耐高温的聚合物作为电池的绝缘密封件，相对于全液态金属电池的高温陶瓷密封件，聚合物具有弹性较好，制备与组装工艺简单，成本较低等优势，这些优势可以解决液态金属电池在组装过程中的很多问题，因而使得电池的组装更加简易。附图说明图1为本专利技术的垂直剖面结构示意图；图2为实施例1的液固金属电池的放电容量-库伦效率曲线；图3为实施例1的液固金属电池的充放电电压-时间曲线。；其中，1、电池底壳；2、聚合物垫圈；3、弹簧垫圈；4、不锈钢垫片；5、负极集流器；6、陶瓷电解质；7、正极；8、电池顶盖。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。实施例1：参见图1，一种用于电网储能的零应变液固金属电池，包括电池底壳1和电池顶盖8组成的腔体，电池底壳1的内径大于电池顶盖8的内径，腔体内从上至下依次设置有正极7、陶瓷电解质6、负极集流器5、不锈钢垫片4和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电网储能的零应变液固金属电池，其特征在于，包括电池底壳(1)和电池顶盖(8)组成的腔体，腔体内从上至下依次设置有正极(7)、陶瓷电解质(6)、负极集流器(5)、不锈钢垫片(4)和弹簧垫圈(3)，正极(7)和负极集流器(5)间通过聚合物垫圈(2)进行绝缘；正极(7)采用钛酸锂材料；负极集流器(5)采用多孔泡沫金属。

【技术特征摘要】
1.一种用于电网储能的零应变液固金属电池，其特征在于，包括电池底壳(1)和电池顶盖(8)组成的腔体，腔体内从上至下依次设置有正极(7)、陶瓷电解质(6)、负极集流器(5)、不锈钢垫片(4)和弹簧垫圈(3)，正极(7)和负极集流器(5)间通过聚合物垫圈(2)进行绝缘；正极(7)采用钛酸锂材料；负极集流器(5)采用多孔泡沫金属。2.根据权利要求1所述的一种用于电网储能的零应变液固金属电池，其特征在于，电池底壳(1)的内径大于电池顶盖(8)的内径。3.根据权利要求1所述的一种用于电网储能的零应变液固金属电池，其特征在于，负极集流器(5)采用液态金属锂。4.权利要求1所述的一种用于电网储能的零应变液固金属电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，采用金属表面镀膜法或粉末压制法将钛酸锂、导电剂和粘接剂制备成正极极片；步骤二，采用液态金属锂作为负极集流器，钛酸锂与液态金属锂的摩尔比例为1:3；步骤三，把多孔陶瓷隔膜浸入熔融盐中吸附电解质盐，制得多孔的陶瓷电解质；步骤四，把正极极片、陶瓷电解质、负极集流器与弹簧垫圈自上而下依次放入电池底壳中，盖上电池顶壳，对电池外壳进行压制密封制得电池。5.根据权利要求4所述的一种用于电网储能的零应变液固金属电池的制作方法，其特征在于，步骤一中，采用金属表面镀膜法制备成正极极片的具体方法如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓辉，赵越，沈达勇，单智伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，西安耐百特电力储能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61