CN114497763B - 一种液态金属电池可移动界面稳定装置及液态金属电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液态金属电池领域，涉及一种液态金属电池可移动界面稳定装置，所述装置由导电或者不导电的材料构成，为一个或多个可悬浮的单体；该装置悬浮于液态金属电池的阳极(4)与电解质(3)之间的第一界面处和/或悬浮于电解质(3)与阴极(2)之间的第二界面处。本发明的装置增强了液态金属电池界面的稳定性，避免了内部限域分割造成的电池性能变化，并有利于减少电池充放电过程中可能产生的固相难熔金属间化合物，增加了液态金属电池的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能电池领域，特别涉及一种液态金属电池可移动界面稳定装置及液态金属电池。
背景技术
随着经济的快速发展，化石能源的消耗量逐年增加，导致地球变暖、生态环境恶化。2004年来以太阳能、风能等为代表的清洁能源，得到了快速发展，但是清洁能源受昼夜、季节、天气等的影响巨大，发电不稳定，导致建成的产能难以有效利用。因为波动巨大会造成电网冲击，所以也很难有效并网。大规模储能可以有效消纳可再生能源发电，从而在很大程度上提高风电、太阳能发电等的使用效率和入网可靠性。液态金属电池的研究始于一个世纪之前，伴随着高纯电解铝的发展而产生，但是长时间没有引起人们的重视，最近因为可再生能源的快速发展，又重新进入了研发人员的视野。
目前已有多种电化学储能的解决方案，如锂离子电池、液流电池等，但是它们固有的缺点如锂离子电池虽然能量密度和功率密度较高，但是其成本也较高，使之不适合用于新能源与电网之间的衔接。
麻省理工学院(MIT)设计了1Ah容量的电池，采用电池容器作为正极电流收集器，负极电流收集器浸入到负极液态金属电极中，采用绝缘高纯热压氮化硼护套。Li-Pb-Sb电池，具有高的离子导电率和低的熔点，结合锂负电极和卤化锂电解质以锑为正电极，电池在性价比上具有吸引力，但是锑的熔点较高(631℃)使得该电池必须在高温下使用，进而导致腐蚀和自放电速率的增加。在280mA cm-2的充电-放电电流密度下，Li-Pb-Sb电池获得了98％的库伦效率和67％的电压效率。长期的电池循环寿命测试需要发展密封技术以防止电解质蒸发，并且需要更长时间的测试。
中国发明专利申请CN109786862A公开了‘一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池’，该电池采用固定栅格，栅格厚度大于电解质厚度，可以抑制流体不稳定性，但是无法随着电池工作时界面的移动而移动，只能用绝缘材料且造成了电池内部的分割，降低了电池的电学性能。
中国发明专利申请CN108232336A公开了‘一种具有内加热装置的液态金属电池及其制备方法’，同样对电池内部进行了固定式的分割，因此只能采用绝缘材料且对电池电学性能造成不好的影响。
虽然在实际操作过程中，上述现有技术已经可以成功制备液态金属电池，并抑制界面不稳定，但是上述现有技术对于电池在工作时界面上下移动不能实时应对，只能增加分割单元的厚度，因此只能采用绝缘材料且对电池的性能造成不利影响。如果界面稳定单元可以随界面移动，则可以采用较小厚度的分隔装置，在保持界面稳定增强电池可靠性的同时，对电池的电化学性能影响较小。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种液态金属电池可移动界面稳定装置，在基本不影响电池的电学性能的同时，保持界面稳定、增强电池可靠性，还能降低高熔点金属间化合物对电池的影响。
本发明的另一个目的是提供一种包含可移动界面稳定装置的液态金属电池。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种液态金属电池可移动界面稳定装置由导电或者不导电的材料构成，为一个或多个可悬浮的单体；所述界面稳定装置5悬浮于液态金属电池的阳极4与电解质3之间的第一界面处和/或悬浮于电解质3与阴极2之间的第二界面处。
悬浮于所述第一界面处的界面稳定装置5的材料的密度大于电解质3的密度且小于阳极4的密度；悬浮于所述第二界面处的界面稳定装置5的材料的密度大于阴极2的密度且小于电解质3的密度；使得所述界面稳定装置5悬浮在第一界面处和/或第二界面处并随界面的移动而移动。
悬浮于所述第一界面处的界面稳定装置5的材料与悬浮于所述第二界面处的界面稳定装置5的材料不同。
悬浮于第一界面处的界面稳定装置5的位于所述电解质3内的部分的厚度小于所述电解质3的厚度；悬浮于第二界面处的界面稳定装置5的位于所述阴极2内的部分的厚度小于所述阴极2的厚度。
所述界面稳定装置5的材料为导体时，界面稳定装置5位于所述电解质3内的部分的厚度为所述电解质3的厚度的2/3。
所述界面稳定装置5的材料为耐高温绝缘材料、过渡族金属、不锈钢或铁基、镍基合金，与所述阳极4、所述电解质3、所述阴极2不发生反应和溶解；所述耐高温绝缘材料包括绝缘陶瓷、氮化硼、氧化钛、氧化铝和氧化硅；所述过渡族金属包括镍、铬、铜、钨和钼。
所述界面稳定装置5的材料的熔点比所述阳极4、所述电解质3和所述阴极2中熔点最高的材料的熔点高50℃以上。
优选地，所述界面稳定装置5的材料的熔点比所述阳极4、所述电解质3和所述阴极2中熔点最高的材料的熔点高100℃。
所述界面稳定装置5通过空心或夹心措施调节密度。
所述界面稳定装置5的单体的横截面积为上下一致，或从上到下逐渐减小，该单体呈栅格状或螺旋状；所述栅格的横截面为圆形、方形或三角形。
所述界面稳定装置5的下端面沿着电池电极和电解质叠加方向具有多个向下的凸起。
优选地，所述凸起为楔形。
所述界面稳定装置5的最大横截面积小于界面面积。
所述界面稳定装置5呈栅格状时，界面稳定装置5的外壁距离电池内壁的最大距离小于或等于栅格间隙。
一种具有界面稳定装置的液态金属电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
液态金属电池阴极与电解质的界面、电解质与阳极的界面会随着电池的充放电而上下移动，而且在热场、电场、磁场以及外部振动等情况下，界面会发生波动造成电池短路、失效。本发明针对目前液态金属电池采用固定的界面稳定装置，导致比较加大稳定装置的尺寸以应对电池界面的移动，对电池的电学性能造成不利影响的缺点，提出利用密度差悬浮的方式，使得界面稳定装置随着界面的移动而移动，在基本不影响电池的电学性能的同时，保持界面稳定、增强电池可靠性，还能降低高熔点金属间化合物对电池的影响。
附图说明
图1本发明具有可移动界面稳定装置的液态金属电池的结构示意图；
图2本发明的第一实施例的圆形栅格状界面稳定装置的横截面示意图；
图3本发明的第二实施例的螺旋状界面稳定装置的横截面示意图；
图4本发明的第三实施例的带有楔形尖端的界面稳定装置的结构示意图；
图5为本发明的第一实施例的圆形栅格状界面稳定装置与电池内壁的关系示意图。
其中的附图标记为：
1惰性气体
2阴极
3电解质
4阳极
5界面稳定装置
a界面稳定装置的外壁距离电池内壁的最大距离
b界面稳定装置的外壁距离电池内壁的最小距离
d栅格间隙
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种具有可移动界面稳定装置的液态金属电池，包括惰性气体1、阴极2、电解质3、阳极4和界面稳定装置5。
所述界面稳定装置5由导电或者不导电的材料构成，界面稳定装置5悬浮于液态金属电池的阳极4与电解质3之间的第一界面处和/或电解质3与阴极2之间的第二界面处。
悬浮于第一界面处的界面稳定装置5的材料的密度介于构成所述第一界面的两种物质的密度之间；悬浮于第二界面处的界面稳定装置5的材料的密度介于构成所述第二界面的两种物质的密度之间。
根据液态金属电池的形状和内部物质的流动规律不同，界面稳定装置5可以是栅格状、螺旋状等形状；所述界面稳定装置5悬浮在第一界面和第二界面处处并随界面的移动而移动。悬浮于第一界面处的界面稳定装置5的位于所述电解质3内的部分的厚度小于所述电解质3的厚度；悬浮于第二界面处的界面稳定装置5的位于所述阴极2内的部分的厚度小于所述阴极2的厚度。所处界面不同，所述界面稳定装置5的材料也不同。
一种液态金属电池界面稳定装置，所述界面稳定装置5的材料为导体时，界面稳定装置5位于所述电解质3内的部分的厚度小于所述电解质3的厚度的1/3。所述界面稳定装置5的材料为耐高温绝缘材料、过渡族金属、不锈钢或铁基、镍基合金，与所述阳极4、所述电解质3、所述阴极2不发生反应和溶解；所述耐高温绝缘材料包括绝缘陶瓷、氮化硼、氧化钛、氧化铝和氧化硅；所述过渡族金属包括镍、铬、铜、钨和钼。所述材料的熔点比所述阳极4、所述电解质3、所述阴极2的熔点高，优选高出100℃以上。所述界面稳定装置5的材料的密度介于构成所述界面的两种物质的密度之间，从而能够悬浮在界面处，并随界面的上下移动而移动。可以通过空心或夹心措施，调节所述界面稳定装置5的密度，使所述界面稳定装置5悬浮在界面处。
所述界面稳定装置5可以是栅格状、螺旋状等形状，根据界面的面积和内部物质流动的状态而改变。
所述界面稳定装置5的下端面沿着电池电极和电解质3叠加方向具有多个向下的凸起，优选地，所述凸起为楔形，即与界面稳定装置5相连的部分较粗而在下方的末端呈尖端状。
如图5所示，所述界面稳定装置5的最大横截面积小于界面面积。图5中，a为界面稳定装置5的外壁距离电池内壁的最大距离，b为界面稳定装置的外壁距离电池内壁的最小距离，d为栅格间隙即直径。其中，界面稳定装置的外壁距离电池内壁的最大距离a小于或等于栅格间隙d。
实施例1
如图2所示，本发明的一种液态金属电池界面稳定装置，由绝缘陶瓷制成筒状，并相互并联，根据液态金属电池的截面积为78.5cm2，将陶瓷筒并联成64cm2的面积。电池阳极采用锡锑合金，电解质为LiF：LiCl：LiBr＝1：1：1作为电解质混合而成，阴极为嵌入泡沫镍中的锂金属；绝缘陶瓷一部分浸入阳极中，一部分留在电解质中。绝缘陶瓷随着电池充放电而上下移动。
实施例2
如图3所示，本发明的一种液态金属电池界面稳定装置，由空心306不锈钢弯曲成螺旋状。电池阳极采用锡锑合金，电解质为LiF：LiCl：LiBr＝1：1：1作为电解质混合而成，阴极为锂金属；螺旋状空心306不锈钢一部分浸入电解质中，一部分留在阴极锂中，此电池有效的增强了界面的稳定性。
实施例3
如图4所示，本发明的一种液态金属电池界面稳定装置，由绝缘陶瓷制成上面为并联的筒状，下部分割成楔状，楔状部分浸入阳极中，筒状部分位于阳极和电解质的界面处。电池阳极采用锡锑合金，电解质为LiF：LiCl：LiBr＝1：1：1作为电解质混合而成，阴极为嵌入泡沫镍中的锂金属。此电池有效的增强了界面的稳定性。
虽然描述了确定的实施例，但是这些实施例仅作为实例出现，并且没有旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新实施例可以修改为任意其它形式；另外，可以在不脱离本发明的精神的下，进行在这里描述的实施例的形式上的不同的省略、替代和改变，当落入本发明的范围和精神中时，附加权利要求及其等价物旨在覆盖这样的形式或者修改。
Claims (13)
1.一种液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)由导电或者不导电的材料构成，为一个或多个可悬浮的单体；所述界面稳定装置(5)悬浮于液态金属电池的阳极(4)与电解质(3)之间的第一界面处和/或悬浮于电解质(3)与阴极(2)之间的第二界面处；
悬浮于所述第一界面处的界面稳定装置(5)的材料的密度大于电解质(3)的密度且小于阳极(4)的密度；悬浮于所述第二界面处的界面稳定装置(5)的材料的密度大于阴极(2)的密度且小于电解质(3)的密度；使得所述界面稳定装置(5)悬浮在第一界面处和/或第二界面处并随界面的移动而移动；
所述单体的横截面积为上下一致，或从上到下逐渐减小，该单体呈栅格状或螺旋状；所述栅格的横截面为圆形、方形或三角形。
2.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，悬浮于所述第一界面处的界面稳定装置(5)的材料与悬浮于所述第二界面处的界面稳定装置(5)的材料不同。
3.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，悬浮于第一界面处的界面稳定装置(5)的位于所述电解质(3)内的部分的厚度小于所述电解质(3)的厚度；悬浮于第二界面处的界面稳定装置(5)的位于所述阴极(2)内的部分的厚度小于所述阴极(2)的厚度。
4.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的材料为导体时，界面稳定装置(5)位于所述电解质(3)内的部分的厚度为所述电解质(3)的厚度的2/3。
5.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的材料为耐高温绝缘材料、过渡族金属、不锈钢或铁基、镍基合金，与所述阳极(4)、所述电解质(3)、所述阴极(2)不发生反应和溶解；所述耐高温绝缘材料包括绝缘陶瓷、氮化硼、氧化钛、氧化铝和氧化硅；所述过渡族金属包括镍、铬、铜、钨和钼。
6.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的材料的熔点比所述阳极(4)、所述电解质(3)和所述阴极(2)中熔点最高的材料的熔点高50℃以上。
7.根据权利要求6所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的材料的熔点比所述阳极(4)、所述电解质(3)和所述阴极(2)中熔点最高的材料的熔点高100℃。
8.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)通过空心或夹心措施调节密度。
9.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的下端面沿着电池电极和电解质叠加方向具有多个向下的凸起。
10.根据权利要求9所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述凸起为楔形。
11.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)的最大横截面积小于界面面积。
12.根据权利要求1所述的液态金属电池可移动界面稳定装置，其特征在于，所述界面稳定装置(5)呈栅格状时，界面稳定装置(5)的外壁距离电池内壁的最大距离小于或等于栅格间隙。
13.一种具有如权利要求1-12任一项所述的界面稳定装置的液态金属电池。
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