一种绿色低成本水系钠离子电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能电池，具体涉及一种绿色低成本水系钠离子电池。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的不断发展，电力需求市场越来越大，对电能供应的可靠性和电能质量的要求也越来越高，同时环境污染、气候异常、能源危机等问题日益突出，推广清洁、可再生能源的国际呼声不断加大。大容量储能技术能够在一定程度上满足上述需求，近年来引起了广泛关注。电化学储能是目前进步最快的储能技术之一，包括铅酸、镍氢、液流、钠硫和锂离子电池等蓄电池储能技术。CN102709567A公开了一种铅酸电池，通过向铅酸电池的负极添加导电剂和碳材料，解决了现有铅酸电池的大电流性能差和循环寿命短等问题。但是上述方法只是提高了铅酸电池的电化学性能，并不能避免铅酸电池固有的环境污染和安全性的问题，例如使用有毒元素铅和强腐蚀性酸硫酸。CN102842736A公开了一种高安全性锂离子二次电池，其电池性能稳定可靠，解决了电池隔膜融化所导致的电池短路问题，保证了锂离子电池能长时间正常工作，体现了良好的安全性能。但其使用的有机电解液会对环境造成污染，此外锂离子电池的价格较贵，不适合应用于大规模储能领域。Whitacre等报导了以λ -MnO2作为正极、高比表面积活性碳作为负极的水系钠离子电池，能够获得较高的放电电压和比容量(J.Power Sources, 2012，213，255)，但是在λ-MnO2的合成过程中采用电解氧化锰作为原料使得产物中含有Mn2O3等杂质，容易对电池的电化学性能造成不利的影响，此外由于使用了昂贵的活性碳作为负极的原料使得整个电池的成本达2元/Wh，比铅酸电池I元/Wh高一倍，成本相对较高还不能满足实用化的需求。目前现有的储能技术还不能满足储能市场领域所需具备的安全环保、价格低廉、使用寿命长等要求。所以，开发新型储能电池技术对解决能源、环境和气候等突出问题具有重要作用。
【发明内容】
[0003]针对现有储能电池技术的不足，本发明旨在提供一种可应用于储能市场领域的绿色低成本水系钠离子电池，该电池具有对环境无污染、安全性能高、原料来源广泛、价格低廉、使用寿命长等优点，使得大规模商用成为可能。
[0004]在此，本发明提供一种绿色低成本水系钠离子电池，所述水系钠离子电池包括:壳体、和设置于所述壳体内部的至少一个电池单元；所述电池单元包括:由多孔正极板、多孔负极板及隔膜组成的极组、和电解液；所述壳体的底部设置有凹槽。
[0005]根据本发明，壳体的底部设置有凹槽，由于极板表面的活性物质会有一定程度脱落，为增强电池系统的安全性，通过设置这种凹槽以防止脱落的活性物质堆积而造成的正负极板短路。
[0006]本发明中，所述壳体可以实现电池单元的扩展和集成。
[0007]较佳地，所述壳体的内部设置有多个腔体，所述腔体的底部设置有凹槽，所述腔体中容纳有所述电池单元。
[0008]根据本发明，可以在壳体的各腔体中相互独立地容纳多个电池单元。又，各腔体的底部设置有凹槽，可以防止脱落的活性物质堆积而造成的正负极板短路。
[0009]较佳地，所述多孔正极板和/或多孔负极板由多孔泡沫镍极板制成。
[0010]根据本发明，正极板和负极板为多孔泡沫镍极板，多孔泡沫镍电极板自身的多孔网状形貌特征能够相互连接形成若干个开口通道，这些丝状物相连的连续节点能够使得该电池结构在各个方向上经受压缩、延展、弯曲、震动等机械冲击，保持正负极板具有足够的机械强度，提供优越的安全性能。又，多孔泡沫镍电极板自身多孔疏松的特性增加了极板的表面面积，使得附着于多孔泡沫镍表面的活性物质可以和电解液更充分地接触，减小了钠离子传输运动距离，增强了正负极活性物质参加电化学反应的能力和活性材料的实际利用率，提高了所述电池单元的工作效率和水系钠离子电池的容量。
[0011]较佳地，所述正极板的厚度为0.1cm?1.0cm,所述负极板的厚度为0.2cm?
2.0cm0
[0012]根据本发明，在保证多孔泡沫镍电极板作为活性物质基体的基本作用的同时，考虑所述电池单元的内部电阻和多孔泡沫镍极板材料的成本，选择多孔泡沫镍极板合适的厚度尺寸范围。
[0013]较佳地，所述多孔正极板负载有锰基氧化物材料正极活性物质。通过使用正极活性物质为钠离子可嵌入和脱出的锰基氧化物，可以在充放电循环时，在正极上实现钠离子的嵌入和脱出。
[0014]较佳地，所述正极活性物质为1^]^204、他。.4411102、和]\11102中的至少一种。这些物质来源广泛，价格低廉，对环境无污染，使所述水系钠离子电池绿色低成本，且可大规模商用。
[0015]较佳地，所述多孔负极板负载有碳基材料负极活性物质。通过使负极活性物质为钠离子可嵌入的碳基材料，可以在充放电循环时，在负极上实现钠离子的嵌入和脱出。
[0016]较佳地，所述负极活性物质为活性炭、碳纤维、和硬碳中的至少一种。这些物质来源广泛，价格低廉，对环境无污染，使所述水系钠离子电池绿色低成本，且可大规模商用。
[0017]较佳地，所述隔膜为无纺布或玻璃纤维布。
[0018]较佳地，所述电解液为可溶性无机钠盐的水溶液。
[0019]根据本发明，所述电池单元的电解液采用无机水溶液，有效地避免了铅酸电池体系对环境的污染，以及有机电解液体系不可避免的电池燃烧的危险。
[0020]较佳地，所述可溶性无机钠盐为Na2SO4、NaNO3、和NaCl中的至少一种。这些物质来源广泛，价格低廉，对环境无污染，使所述水系钠离子电池绿色低成本，且可大规模商用。
[0021]本发明提供的绿色低成本水系钠离子电池与现有储能技术相比，其原材料来源广泛且对环境无污染，安全可靠。所述多孔泡沫镍极板的特殊结构增强了正负极活性物质参加电化学反应的能力，提高了电池单元的储能容量，其良好的抗压缩、延展、弯曲、震动等机械冲击能力，提高了水系钠离子电池的安全性。所述水系钠离子电池壳体的腔体的底部增设的凹槽设计，可以有效防止活性物质堆积造成的极板短路，保证了水系钠离子电池的正常使用和长工作寿命。此外，所述电池单元的电解液采用无机水溶液，有效地避免了铅酸电池体系对环境的污染，以及有机电解液体系不可避免的电池燃烧的危险。因此本发明所述的绿色低成本水系钠离子电池具有安全环保、价格低廉、使用寿命长等优点，能够满足大规模储能市场的需求，具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0022]图1为绿色低成本水系钠离子电池的结构示意图；
图2为绿色低成本水系钠离子电池壳体的剖面俯视图；
图3为绿色低成本水系钠离子电池的剖面俯视图；
图4为负极板的放大结构示意图；
图5为正极板的放大结构示意图；
图6为水系钠离子电池的充放电曲线；
符号说明:
I为壳体，2为凹槽,3为负极板,4为隔膜,5为正极板,6为接线柱,7为电池单元,8为腔体。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。应理解，附图和/或【具体实施方式】仅用于说明本发明而非限制本发明。另外，对所有附图中相同或相当的元素标以相同的符号并省略其重复说明。
[0024]本发明提供一种绿色低成本水系钠离子电池。图1示出根据本发明一个示例的绿色低成本水系钠离子电池的结构示意图。如图1所示，本发明的绿色低成本水系钠离子电池包括壳体1、和设置于壳体I内部的至少一个电池单元7。
[0025]在图1的示例中，壳体I为方形，但应理解，壳体的形状不限于此，例如也可以为圆柱形等其它形状。壳体I可由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料制成。壳体I上可设置有一对接线柱6。本发明中，壳体I可以实现电池单元的扩展和集成。
[0026]壳体I可以分割为多个腔体，这样可以相互独立地容纳多个电池单元7。图2示出本发明一个示例的绿色低成本水系钠离子电池壳体的剖面俯视图。如图2所示，壳体I被分割为四个腔体8。又，在该示例中，各腔体的大小相同。但应理解，腔体的个数不限于四个，而可以根据需要设置为任意个数；另外，各个腔体的尺寸规格没有明确限制。
[0027]又，如图1和图2所示，壳体I (腔体8)的底部设置有凹槽2。凹槽2的配置形式不限，例如可以如图1、2所示纵横交错地配置。由于电池单元7的正负极板3、5 (参见后述)表面的活性物质会有一定程度脱落，为增强电池系统的安全性，通过设置这种凹槽以防止脱落的活性物质堆积而造