一種鈉硫儲電電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種鈉硫儲電電池，所述鈉硫儲電電池包括容納在電池外殼里的：陽極，所述陽極由固態(tài)金屬鈉和陽極溶劑組成，所述溶解了金屬鈉的陽極溶劑形成陽極電解液；陰極，所述陰極由固態(tài)元素硫和陰極溶劑組成，所述溶解了元素硫的陰極溶劑形成陰極電解液；鈉離子傳導(dǎo)膜，所述鈉離子傳導(dǎo)膜將所述陽極電解液和陰極電解液分隔開，并僅容鈉離子從陽極電解液傳導(dǎo)入陰極電解液或者從陰極電解液傳導(dǎo)入陽極電解液。本發(fā)明專利技術(shù)的鈉硫電池的運行溫度為20～98℃，均低于鈉和硫的熔點，降低了現(xiàn)有技術(shù)鈉硫電池高溫運行存在的安全隱患，降低了鈉硫電池的運行成本，拓寬了鈉硫電池的商業(yè)性規(guī)模化應(yīng)用范圍。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及蓄電池
，具體涉及一種鈉硫儲電電池。
技術(shù)介紹
電池是一種用來儲存和釋放電能的裝置，應(yīng)用范圍廣泛。充電是化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換，放電是電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。蓄電池主要有三大類用途，固定電池，作為備用電源和負載均衡；移動電池，用于便攜式電子設(shè)備，如手機、筆記本電腦；運輸電池，主要用于電力交通工具的助力電。其中，作為新一代的電力存儲系統(tǒng)，鈉硫電池備受期待，他具有原材料儲量大、能量和功率密度大、充放電效率高、不受場地限制、維護方便等特點，近年來成為國內(nèi)外研究的熱點。目前鈉硫電池都是以熔融硫(熔點119°C)和熔融鈉(熔點98°C)分別作陰陽極，β氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。β氧化鋁陶瓷固體電解質(zhì)將內(nèi)室的熔融鈉(熔點98°C)和外室的熔融硫(熔點119°C)隔開，并只允許Na+通過。在電池內(nèi)部，Na+穿過固體電解質(zhì)和硫發(fā)生反應(yīng)， 從而傳遞電流。因為只有在300°C以上時，β氧化鋁陶瓷才具有良好的導(dǎo)離子性。350°C時，NaS電池的理論電壓約為2.30V。因此，現(xiàn)有的鈉硫電池的運行要求是Na和S都處于液態(tài)，且至少達到300°C左右的高溫，目前鈉硫電池電池工作溫度為300°C 350°C,屬于一種高溫可充電電池。在這種高溫運行狀態(tài)下，一旦陶瓷電介質(zhì)破損，高溫的液態(tài)Na和S就會直接接觸并發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生2000°C的高溫，相當危險。而且高運行溫度，對電池材料的選擇也提出了更高的要求，這些都增加了運行成本。高溫下存在的安全隱患也限制了鈉硫電池的商業(yè)性規(guī)模化應(yīng)用，目前鈉硫電池只能用于靜態(tài)儲能>j-U ρ α裝直。因此，研發(fā)一種在較低溫度下運行的鈉硫電池，如低于鈉熔點，則可以解決鈉硫電池目前存在的技術(shù)瓶頸，真正實現(xiàn)這種綠色二次能源的規(guī)模化推廣。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鈉和硫在電池運行時為固態(tài)、電池的運行溫度低于鈉和硫的熔點的鈉硫儲電電池。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是:一種鈉硫儲電電池，所述鈉硫電池包括容納在電池外殼內(nèi)的:陽極，所述陽極由固態(tài)金屬鈉和陽極溶劑組成，所述陽極溶劑是能夠溶解所述金屬鈉的有機溶液或者離子液體，所述溶解了金屬鈉的陽極溶劑形成陽極電解液；陰極，所述陰極由固態(tài)元素硫和陰極溶劑組成，所述陰極溶劑是能夠溶解所述元素硫的有機溶液或者無機溶液，所述溶解了元素硫的陰極溶劑形成陰極電解液；鈉離子傳導(dǎo)膜，所述鈉離子傳導(dǎo)膜將所述陽極電解液和陰極電解液分隔開，并僅容鈉離子從陽極電解液傳導(dǎo)入陰極電解液或者從陰極電解液傳導(dǎo)入陽極電解液，所述鈉離子傳導(dǎo)膜與元素鈉、元素硫以及所述陽極溶劑和陰極溶劑均不發(fā)生反應(yīng)。所述電池的工作溫度是20 98°C。優(yōu)選的，所述陽極溶劑是由咪唑類鹽、吡啶類鹽、吡咯類鹽、銨類、季膦鹽和锍類中的一種或者幾種組成的。作為進一步的優(yōu)選，所述咪唑類鹽包括1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽或者1- 丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽；所述吡啶類鹽包括N- 丁基吡啶鹽酸鹽；所述吡咯類鹽包括1- 丁基-1-甲基吡咯氯鹽；所述銨類包括三氟醋酸甲基(三辛基)銨；所述锍類包括三锍或锍。陽極溶劑可以是任何合適的溶劑，只要它在電池工作溫度范圍(20 98°C)內(nèi)是液態(tài)，能夠傳導(dǎo)鈉離子就可以。且陽極溶劑不能和元素鈉以及鈉離子傳導(dǎo)膜進行反應(yīng)。符合條件的有機溶劑可以是有機溶液或者離子液體。因為一些離子液體可以作為一種表面活性齊U，與鈉離子傳導(dǎo)膜相比，有更高的導(dǎo)離子能力，因此離子液體是制備陽極溶劑的首選。離子液體溶解金屬鈉，并將鈉原子從金屬鈉傳遞到隔膜，反之亦然。在本專利技術(shù)中，合適的離子液體可以是由一種或多種大的非對稱的有機陽離子和一種或多種無機陰離子組成。組成離子液體的陽離子和/或陰離子，可以是由一種非對稱結(jié)構(gòu)，和/或具有多種合適的化學(xué)特性的芳香族離子組成。離子液體中可能陽離子較大而陰離子較小，反之亦然。例如，在一個實例中，離子液體是三乙基锍，它的三個配體是相同的。此外，由于長鏈烴可能增加液體的黏度，降低導(dǎo)離子性，因此離子液體中包含小官能團和短鏈烴最好。總之，本專利技術(shù)中的離子液體要有低黏度和高的離子傳導(dǎo)率。陰極溶劑可以是任何合適的溶劑，只要能傳導(dǎo)來自鈉離子傳導(dǎo)膜的鈉離子就可以。優(yōu)選的，所述陰極溶劑是由以下有機溶液或者無機溶液中的一種或幾種組成的:二甲苯胺、四乙二醇二甲醚、水、氫氧化鈉、四氫呋喃、硅酸鈉、甘油、硼砂、四水偏硼酸鈉、十水四硼酸鈉、硼酸、硼氫化鈉、硼砂、磷酸鈉、磷酸氫二鈉、甘油鈉、碳酸鈉、乙烯、丙烯。優(yōu)選的，所述鈉離子傳導(dǎo)膜是鈦酸鈉無機納米纖維膜。作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鈦酸鈉無機納米纖維膜是將納米二氧化鈦粉末和氫氧化鈉溶液160°C以上反應(yīng)得到的鈦酸鈉漿狀物覆在基底材料上成型制作復(fù)合膜，然后將復(fù)合膜通過高溫?zé)Y(jié)除去基底材料得到所述鈦酸鈉無機納米纖維膜。所述納米二氧化鈦粉末和氫氧化鈉溶液160°C以上水熱反應(yīng)I 7天得到所述鈦酸鈉漿狀物，將所述復(fù)合膜在500°C以上高溫?zé)Y(jié)除去基底材料。所述基底材料可以是聚乙烯薄膜或者是Whatman品牌的濾紙。優(yōu)選的，所述鈉離子傳導(dǎo)膜的厚度小于lOOOnm。尤其是在不用承受強壓力條件下。作為一種改進,所述電池外殼為塑料外殼。所述塑料外殼可以是聚丙烯塑料外殼、聚氯乙烯塑料外殼或者聚四氟乙烯塑料外殼。所述電池在帶電狀態(tài)時(或至少部分帶電時)，所述陽極中含有固態(tài)金屬鈉，所述陰極中含有固態(tài)元素硫；所述電池在完全放電狀態(tài)時(或不帶電荷時)，所述陽極中可以沒有固態(tài)金屬鈉。 當電池運行時，陽極部分包括一定數(shù)量的固態(tài)金屬鈉。鈉固體混合在陽極溶劑中。這里所說的鈉固體可以是純凈不含雜質(zhì)的鈉，也可以是不純的鈉，或者是鈉合金。鈉硫電池的凈反應(yīng)是:2Na+xS — Na2Sx。電池充電時的氧化半反應(yīng)是:Na2Sx — ZNa^xS+e—1，還原半反應(yīng)是=Na++^ — Na。鈉離子傳導(dǎo)膜允許從負極部分出來的鈉離子通過，形成電荷梯度。相反，電池放電時的氧化半反應(yīng)是:Na —Na'+e—1，還原半反應(yīng)是:2Na++xS+e_1 — Na2Sx。通過計算電勢差得到電池電壓為1.78-2.08V之間。由于采用了上述技術(shù)方案，本專利技術(shù)的有益效果是:本專利技術(shù)的陽極由固態(tài)金屬鈉和陽極溶劑組成，陰極由固態(tài)元素硫和陰極溶劑組成，使用鈉離子傳導(dǎo)膜將溶解了金屬鈉的陽極電解液和溶解了元素硫的陰極電解液分隔開。由于電池陽極為固態(tài)金屬鈉，陰極為固態(tài)兀素硫，在電池工作時，可以在任何合適的溫度下進行操作，電池的運行溫度低于鈉和硫的熔點(20 98°C)。本專利技術(shù)的鈉硫電池，在50°C時，測試電壓在1.7V以上，充放電次數(shù)在1200次以上。由于本專利技術(shù)的鈉硫電池運行溫度較低，外殼可以由價格便宜的非金屬塑料制成，比如可以使用聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯材料作為外殼，相比現(xiàn)有技術(shù)使用金屬外殼，不僅材料安全易得，生產(chǎn)成本降低，而且減輕了電池的自身重量。由于本專利技術(shù)的鈉硫電池降低了現(xiàn)有技術(shù)鈉硫電池高溫運行存在的安全隱患，降低了鈉硫電池的運行成本，因此拓寬了鈉硫電池的商業(yè)性規(guī)模化應(yīng)用范圍，使之可以用于大型儲能裝置(風(fēng)能、太陽能)、工業(yè)(削峰填谷、應(yīng)急電源)、商業(yè)(電動工具)、交通(電動汽車、電動摩托車)、國防(潛艇、軍艦)等多個行本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種鈉硫儲電電池，其特征在于所述鈉硫電池包括容納在電池外殼內(nèi)的：陽極，所述陽極由固態(tài)金屬鈉和陽極溶劑組成，所述陽極溶劑是能夠溶解所述金屬鈉的有機溶劑或者離子液體，所述溶解了金屬鈉的陽極溶劑形成陽極電解液；陰極，所述陰極由固態(tài)元素硫和陰極溶劑組成，所述陰極溶劑是能夠溶解所述元素硫的有機溶液或者無機溶液，所述溶解了元素硫的陰極溶劑形成陰極電解液；鈉離子傳導(dǎo)膜，所述鈉離子傳導(dǎo)膜將所述陽極電解液和陰極電解液分隔開，并僅容鈉離子從陽極電解液傳導(dǎo)入陰極電解液或者從陰極電解液傳導(dǎo)入陽極電解液，所述鈉離子傳導(dǎo)膜與元素鈉、元素硫以及所述陽極溶劑和陰極溶劑均不發(fā)生反應(yīng)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鈉硫儲電電池，其特征在于所述鈉硫電池包括容納在電池外殼內(nèi)的:陽極，所述陽極由固態(tài)金屬鈉和陽極溶劑組成，所述陽極溶劑是能夠溶解所述金屬鈉的有機溶劑或者離子液體，所述溶解了金屬鈉的陽極溶劑形成陽極電解液； 陰極，所述陰極由固態(tài)元素硫和陰極溶劑組成，所述陰極溶劑是能夠溶解所述元素硫的有機溶液或者無機溶液，所述溶解了元素硫的陰極溶劑形成陰極電解液； 鈉離子傳導(dǎo)膜，所述鈉離子傳導(dǎo)膜將所述陽極電解液和陰極電解液分隔開，并僅容鈉離子從陽極電解液傳導(dǎo)入陰極電解液或者從陰極電解液傳導(dǎo)入陽極電解液，所述鈉離子傳導(dǎo)膜與元素鈉、元素硫以及所述陽極溶劑和陰極溶劑均不發(fā)生反應(yīng)。2.如權(quán)利要求1所述的鈉硫儲電電池，其特征在于:所述電池的工作溫度是20 98。。。3.如權(quán)利要求1所述的鈉硫儲電電池，其特征在于:所述陽極溶劑是由咪唑類鹽、吡啶類鹽、吡咯類鹽、銨類、季膦鹽和锍類中的一種或者幾種組成的。4.如權(quán)利要求3所述的鈉硫電池，其特征在于:所述咪唑類鹽包括1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽或者1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽；所述吡啶類鹽包括N-丁基吡啶鹽酸鹽；所述吡咯類鹽包括1-丁基-1-甲基吡咯氯鹽；所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊芳曉，楊樹仁，程文學(xué)，李建業(yè)，王德強，單海山，
申請(專利權(quán))人：山東默銳科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：