一种液态金属电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种液态金属电池及其制备方法，包括：S1、在惰性气体保护下，将一定质量的锑粒，盛于导电坩埚中；S2、在惰性气体保护下，将上述导电坩埚加热使锑粒熔化；随后冷却至室温，并将导电坩埚置于与之大小匹配的电池壳体中；S3、在惰性气体保护下，将一定质量的电解质盐加热熔化，得到熔盐电解质，并倒入上述导电坩埚中；S4、在惰性气体保护下，将吸附有一定质量金属锂的负极集流体及电池顶盖组装至已加入熔盐的壳体上，并使熔盐电解质淹没负极集流体的上表面，随后冷却至室温；S5、将壳体与顶盖进行焊接，并接入引线，得到液态金属电池。该方法大大提高了电池的能量密度，可以得到一种高比能液态金属电池。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属电池及其制备方法
本专利技术属于储能电池领域，更具体地，涉及一种液态金属电池及其制备方法。
技术介绍
由于固态电极存在的诸如枝晶生长、体积膨胀、结构坍塌、SEI膜不稳定等问题，近年来，采用液态电极的液态金属电池逐渐引起人们的重视。2014年，Wang等在《Nature》上报道了Li||Sb-Pb液态金属电池(DOI:10.1038/nature13700)。该电池在450℃下运行，以液态金属锂为负极，LiF-LiCl-LiI熔盐为电解质，液态Sb-Pb合金为正极。金属锑具有价格低廉、开路电压高(～0.9Vvs.Li/Li+)、比容量大(660mAh/g)等优势，是一种理想的液态金属电池正极材料。但是其熔点较高，为630℃，因此，自Nature报道之后，采用合金化策略以降低金属锑的熔点成为研究热点，相关材料体系如Li||Sb-Sn(500℃)，Li||Sb-Bi(550℃)，Li||Sb-Bi-Sn(500℃)等被开发出来。然而，尽管合金化元素在降低锑的熔点的同时几乎不会降低锑的平衡电位，但它们(Pb，Sn)并不提供电池容量且密度较大(Pb:11.34g/cm3,Sn:7.28g/cm3)，这便造成了额外的材料成本，并降低了电池的能量密度。现有的液态金属电池的制备方法，是先将一定质量的正极材料(如Sb-Sn，Sb-Bi等)熔化，再进行后续电池组装。但是这些合金化元素在电池中并没有提供容量(Sn，Pb等)，同时它们本身密度很大(Bi:9.8g/cm3，Pb:11.34g/cm3，Sn:7.28g/cm3)，而Sb的密度为6.69g/cm3，因此这不仅增加了电池质量，使得电池能量密度大幅度降低。同时，这些金属材料的使用增加了电池的成本。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种液态金属电池及其制备方法，其目的在于解决现有技术中电池能量密度较低的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种液态金属电池的制备方法，包括：S1、在惰性气体保护下，将一定质量的锑粒，盛于导电坩埚中；S2、在惰性气体保护下，将上述导电坩埚加热使锑粒熔化；随后冷却至室温，并将导电坩埚置于与之大小匹配的电池壳体中；S3、在惰性气体保护下，将一定质量的电解质盐加热熔化，得到熔盐电解质，并倒入上述导电坩埚中；S4、在惰性气体保护下，将吸附有一定质量金属锂的负极集流体及电池顶盖组装至已加入熔盐的壳体上，并使熔盐电解质淹没负极集流体的上表面，随后冷却至室温；S5、将壳体与顶盖进行焊接，并接入引线，得到液态金属电池。进一步优选地，负极集流体吸附锂与所加锑粒的摩尔比为3:1，负极集流体吸附锂的质量与所加锑粒的总质量根据电池的容量确定。进一步优选地，上述导电坩埚为化学惰性的坩埚。进一步优选地，上述导电坩埚为石墨坩埚。进一步优选地，步骤S2中将导电坩埚在炉子中加热至800～1000℃，并保温5～10小时，使锑粒熔化。进一步优选地，上述熔盐电解质为含有金属锂离子的无机盐混合物，且在电池的工作温度下，上述熔盐电解质为液态。进一步优选地，电池的工作温度介于471℃和630℃之间。第二方面，本专利技术提供了一种液态金属电池，采用上述液态金属电池的制备方法制备而成。进一步优选地，上述液态金属电池包括壳体、导电坩埚、设置在导电坩埚中的熔盐电解质、正极、负极、负极集流体以及一端连接负极的负极引出棒；壳体的上部设有顶盖；顶盖的中间设有绝缘部件陶瓷；负极引出棒竖直放置，其另一端与绝缘部件陶瓷相连并穿出；顶盖与壳体的连接方式为焊接。进一步优选地，上述液态金属电池的放电倍率为0.05C～0.5C，充放电电流依据电池的容量确定。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供了一种液态金属电池的制备方法，将金属锂与金属锑合金化，在全充电正极为固态，随着放电的进行，锂扩散至正极与锑发生反应，在一定放电深度下反应产物为液态，全放电时正极变为固相金属间化合物，再次充电后正极又恢复液态，消除了电极材料内部应力应变所制备的液态金属电池具有自愈合特性，保证了纯锑作为电极材料的长程循环稳定性，且由于锑的理论放电电压较高，所以大大提高了电池的能量密度，得到了一种高比能液态金属电池。2、采用本专利技术所提供的液态金属电池的制备方法制备得到了一种新的液态金属电池制备方法，由于锑理论上具有目前已报道的液态金属电池体系中最低的材料成本，因此降低了整个电池的成本。3、采用本专利技术所提供的液态金属电池的制备方法制备得到了一种新的液态金属电池，其全液相阶段并非一定要出现在全充电时，在放电中期出现亦可，该液态金属电池仍然具有类似纯液相的循环性能，拓展了液态金属电池理论。附图说明图1是本专利技术所提供的液态金属电池的制备方法流程图；图2是本专利技术所提供的Li-Sb相图；图3是本专利技术所提供的Li||LiF-LiCl-LiBr||Sb(550℃)液态金属电池放电曲线；图4是本专利技术所提供的Li||LiF-LiCl-LiBr||Sb(550℃)液态金属循环性能。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为了实现上述目的，第一方面，液态金属电池的制备方法，如图1所示，包括：S1、在惰性气体保护下，将一定质量的锑粒，盛于导电坩埚中；具体的，上述导电坩埚可以为化学惰性的坩埚，优选为石墨坩埚。S2、在惰性气体保护下，将上述导电坩埚加热使锑粒熔化；随后自然冷却至室温，并将导电坩埚置于与之大小匹配的不锈钢壳体中；具体的，将导电坩埚在炉子中加热至800～1000℃，并保温5～10小时，使锑粒熔化。S3、在惰性气体保护下，将一定质量的电解质盐加热熔化，得到熔盐电解质，并倒入上述导电坩埚中；具体的，上述熔盐电解质为含有金属锂离子的无机盐混合物，且在电池的工作温度下，上述熔盐电解质为液态；其中，电池的工作温度介于471℃和630℃之间。S4、在惰性气体保护下，将吸附有一定质量金属锂的负极集流体及电池顶盖组装至已加入熔盐的壳体上，并使熔盐电解质淹没负极集流体的上表面，随后冷却至室温；具体的，负极集流体吸附锂与所加锑粒的摩尔比为3:1；负极集流器吸附锂的质量通过电池容量计算得到，然后根据摩尔比换算正极用量。S5、将壳体与顶盖进行焊接，并接入引线，得到液态金属电池。第二方面，本专利技术提供了一种液态金属电池，采用上述液态金属电池的制备方法制备而成。上述液态金属电池包括壳体、导电坩埚、设置在导电坩埚中的熔盐电解质、正极、负极、负极集流体以及一端连接负极的负极引出棒；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液态金属电池的制备方法，其特征在于，包括：/nS1、在惰性气体保护下，将一定质量的锑粒，盛于导电坩埚中；/nS2、在惰性气体保护下，将所述导电坩埚加热使锑粒熔化；随后冷却至室温，并将所述导电坩埚置于与之大小匹配的电池壳体中；/nS3、在惰性气体保护下，将一定质量的电解质盐加热熔化，得到熔盐电解质，并倒入所述导电坩埚中；/nS4、在惰性气体保护下，将吸附有一定质量金属锂的负极集流体及电池顶盖组装至已加入熔盐的壳体上，并使所述熔盐电解质淹没所述负极集流体的上表面，随后冷却至室温；/nS5、将所述壳体与所述顶盖进行焊接，并接入引线，得到液态金属电池。/n

【技术特征摘要】
1.一种液态金属电池的制备方法，其特征在于，包括：
S1、在惰性气体保护下，将一定质量的锑粒，盛于导电坩埚中；
S2、在惰性气体保护下，将所述导电坩埚加热使锑粒熔化；随后冷却至室温，并将所述导电坩埚置于与之大小匹配的电池壳体中；
S3、在惰性气体保护下，将一定质量的电解质盐加热熔化，得到熔盐电解质，并倒入所述导电坩埚中；
S4、在惰性气体保护下，将吸附有一定质量金属锂的负极集流体及电池顶盖组装至已加入熔盐的壳体上，并使所述熔盐电解质淹没所述负极集流体的上表面，随后冷却至室温；
S5、将所述壳体与所述顶盖进行焊接，并接入引线，得到液态金属电池。


2.根据权利要求1所述的液态金属电池的制备方法，其特征在于，所述负极集流体吸附锂与所加锑粒的摩尔比为3:1。


3.根据权利要求1所述的液态金属电池的制备方法，其特征在于，所述导电坩埚为化学惰性的坩埚。


4.根据权利要求3所述的液态金属电池的制备方法，其特征在于，所述导电坩埚为石墨坩埚。


5.根据权利要求1所述的液态金属电池的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王康丽，闫帅，蒋凯，周先波，李浩秒，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42