一种聚硫氰酸锂阴极液及其半液流锂硫电池的制作方法_2

文档序号:8906954阅读:来源:国知局
电的峰谷电,提高发电效率,降低发电成本。
[0031]由于聚硫氰酸锂化学性质稳定,与合成硫化锂必须在保护气氛下进行不同,聚硫氰酸锂可在普通条件下就可以生产,活性物质来源丰富,成本低廉,无污染,因而电极材料成本低廉,制备工艺简单、易行,有利于大规模生产,可有效降低液流电池成本,具有广阔的应用前景。同时,负极的氮化锂保护层同时又抑制了枝晶的产生,提高了电池的可靠性。
【附图说明】
[0032]图1为本发明一种半液流锂硫电池的组装图。
[0033]图2为实施例七中电池的充放电性能图。
[0034]图中的附图标记为:1-1负极板;1-2负极;1-3密封圈;1-4隔膜;1-5正极;1-6正极板;1-6_1阴极液导入管;1-6-2阴极液导出管;1-6-3阴极液流路;2_1充电曲线;2_2放电曲线。
【具体实施方式】
[0035]利用硫溶于乙醇,微溶于水的特点。先将硫溶于乙醇,再将硫的乙醇溶液滴入水中,边滴边搅拌,可以得到硫溶胶,干燥后得到胶体硫。
[0036]泡沫镍所用基体材料为多孔的开孔泡沫塑料,采用化学镀镍、真空镀镍和浸导电胶(钯溶胶,亚微米级石墨乳等)三种方法均可制备导电层,经预镀镍便可在通用的硫酸盐镀镍电解液中电镀厚镍,后经灼烧、还原、退火工序便可得到性能优良的三维网状泡沫镍材料,是制造镉-镍电池和氢-镍电池的最佳电极材料之一。
[0037]胶体硫和泡沫镍都有市售。
[0038]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0039]一种半液流锂硫电池的制备方法,具体包括以下步骤:
[0040]步骤A:正极制备
[0041](I)将硫酸铜溶于水中配制成浓度为0.5?3wt%的硫酸铜溶液;取20毫升硫酸铜溶液导入培养皿,将孔径为0.1?I毫米的泡沫镍片(长宽厚:30X20Xlmm)的固体浸没于硫酸铜溶液后,升温至40?80°C,进行置换反应I?2小时;因Ni的溶出,溶液颜色由反应前的蓝色变成绿色,再冷却至室温;
[0042](2)将硼氢化钠溶于浓度为5wt%的氢氧化钠溶液中,配制成硼氢化钠浓度为5wt%的碱性硼氢化钠溶液;取15毫升碱性硼氢化钠溶液导入步骤(I)的培养皿中,硼氢化钠将此前溶液中的Ni离子还原成金属镍再沉积到固体样品上;待到溶液颜色消失,表明溶液中的镍离子都已被还原成金属镍;
[0043](3)将固体样品取出,洗净、烘干后置于马弗炉,在氮气氛保护下300°C下煅烧5小时,得到正极。
[0044]步骤B:负极制备
[0045](I)在氩气氛保护下,在lOKg/cm2的压力下将金属锂片压到铜膜上,形成长宽厚:30 X 20 X Imm的负极基材;
[0046](2)将负极基材在25°C置于高纯氮(纯度99.999% )的气氛中处理I?3小时得到具备氮化锂层保护的负极。
[0047]步骤C:Li+型全氟磺酸树脂隔膜制备
[0048]将市贩的Naf1n膜浸没于1wt %的L1H溶液中,80 °C下处理I小时后,用去离子水漂洗至水呈中性,晾干后90°C真空干燥6小时,得到Li+型全氟磺酸树脂隔膜。
[0049]步骤D:聚硫氰酸锂阴极液制备
[0050]将I摩尔无水硫氰酸锂溶于200mL THF,加入胶体硫,LiSCN与S摩尔比为1: 7,置于反应釜中,密封加热至60°C,搅拌反应I?5小时,打开反应釜,蒸干溶剂THF,得到聚硫氰酸锂(或聚硫氰化锂,LiS8CN)。将聚硫氰酸锂溶于电解液,得到聚硫氰酸锂阴极液。
[0051]电解液的配制方法:以Li [CF3SO2) 2N] (LiTFSI)为溶质,二氧戊环(C3H6O2)和乙二醇甲醚(C4HltlO2)的混合物为溶剂,二氧戊环和乙二醇甲醚的体积比为1: 1,一升电解液中含一摩尔(263g) Li [CF3SO2) 2N]。
[0052]如图1所示,利用制得的正负极和隔膜制备的半液流锂硫电池,包括依次连接的刻有流路的正极板1-6、正极1-5、密封圈1-3、隔膜1-4、密封圈1-3、负极1_2和刻有负极安放槽的负极板1-1,以及聚硫氰酸锂阴极液。所述隔膜1-4为Li+型全氟磺酸树脂隔膜,用于隔开正极1-5和负极1-2,正极1-5采用步骤A中制得的正极,负极1-2采用步骤B中制得的负极。正极板1-6上设有阴极液导入管1-6-1和阴极液导出管1-6-2,聚硫氰酸锂阴极液通过阴极液导入管1-6-1、正极板1-6上的流路1-6-3和阴极液导出管1-6-2进行流动,并渗入正极1-5发生电化学反应。负极板1-1上设有极安放槽。
[0053]阴极液是指电解液中溶有聚硫氰酸锂形成的溶液,半液流锂硫电池的容量取决于阴极液中聚硫氰酸锂的含量。电解液以Li [CF3SO2) 2N] (LiTFSI)为溶质,二氧戊环(C3H6O2)和乙二醇甲醚(C4HltlO2)的混合物为溶剂,二氧戊环和乙二醇甲醚的体积比为1: 1,一升电解液中含一摩尔(263g) Li [CF3SO2) 2N];
[0054]对上述半液流锂硫电池放电过程时,在负极的金属锂被电化学氧化,形成锂离子,锂离子穿过负极上的氮化锂层和Li+-Naf1n隔膜进入正极侧的阴极液,在正极的铜载泡沫镲上聚硫氰酸锂(LiS8CN)被逐步电化学还原,形成硫氰酸锂和硫化锂:
[0055]LiS8CN+14Li+= LiSCN+7Li 2S+14e
[0056]硫化锂沉积在铜载泡沫镍上。由于Li+-Naf1n只允许阳离子(锂离子)传导,阻碍阴离子(聚硫氰酸根S8CN_和硫氰酸根SCN_)传导,并且锂负极上的氮化锂也能避免聚硫氰酸锂或硫氰酸锂与之接触,防止了半液流锂硫电池容量的循环衰退。充电过程中,在正极发生上述反应的逆反应,硫氰酸锂和硫化锂逐步脱锂并形成聚硫氰酸锂;同时锂离子穿过Li+-Naf1n隔膜和负极上的氮化锂层,被电化学还原,形成金属锂。
[0057]金属锂具有很高的理论比容量(3830mAh g—1),LiS8CN的比容量高达5770mAh g—1,远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh g—1),因此,由LiS8CN和金属锂分别作为正极1-5和负极1-2的活物质可得到高比容量的半液流锂硫电池。
[0058]下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
[0059]实施例一:无水硫氰酸锂制备
[0060]等摩尔的单质硫与氰化锂在140°C下共熔得到无水硫氰酸锂。
[0061]实施例二:负极制备
[0062]在氩气氛保护下,在lOKg/cm2的压力下将金属锂片压到铜膜上,形成长宽厚为30X20X Imm的负极基材;将负极基材在25°C置于高纯氮(纯度99.999%)的气氛中处理I小时得到具备氮化锂层保护的负极。
[0063]实施例三:正极制备
[0064]将硫酸铜溶于水中配制成浓度为0.5wt %的硫酸铜溶液;取20毫升硫酸铜溶液导入培养皿,将孔径为0.1?I毫米的泡沫镍片(长宽厚:30X20Xlmm)的固体浸没于硫酸铜溶液后,升温至40°C,进行置换反应2小时;因附的溶出,溶液颜色由反应前的蓝色变成绿色,再冷却至室温;将硼氢化钠溶于浓度为5wt%的氢氧化钠溶液中,配制成硼氢化钠浓度为5wt%的碱性硼氢化钠溶液;取15毫升碱性硼氢化钠溶液导入培养皿中,硼氢化钠将此前溶液中的Ni离子还原成金属镍再沉积到固体样品上;待到溶液颜色消失,表明溶液中的镍离子都已被还原成金属镍;将固体样品取出,洗净、烘干后置于马弗炉,在氮气氛保护下300°C下煅烧5小时,得到正极。
[0065]实施例四:阴极液制备
[0066]将实施例一中得到的I摩尔无水硫氰酸锂溶于200mL THF,加入7摩尔胶体硫,LiSCN与S的摩尔比为1:7,置于反应釜中,密封加热至60°C,搅拌反应I小时,打开反应釜,蒸干溶剂THF,得到聚硫氰酸锂(或聚硫氰化锂,LiS8CN)。
[0067]取2g聚硫氰酸锂溶于电解液50mL得到半液流锂硫电池阴极液,电解液以Li [CF3SO2)2N] (LiTFSI)为溶质,二氧戊环(C3H6O2)和乙二醇甲醚(C4HltlO2)的混合物为溶剂,二氧戊环和乙二醇甲醚的体积比为1: 1,一升电解液中含一摩尔(263g)Li [CF3SO2)2N]。
[0068]实施例五:Li+型全氟磺酸树脂隔膜的制备
[0069]将市贩的Naf1n 117膜浸没于1wt%的L1H溶液中,80°C下处理I小时后,用去离子水漂洗至水呈中性,晾干后90°C真空干燥6小时,得到Li+型全氟磺酸树脂隔膜。
[0070]实施例六:半液流锂硫电池构成
[0071]在氩气氛保护下,在lOKg/cm2的压力下将金属锂片压到铜膜(厚度0.1mm)上
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