专利名称：纳米流体电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学电源，尤其是涉及一种基于流体状电极中纳米颗粒作为电化学活性物质的纳米流体电池。
背景技术：
发展清洁和可再生能源是我国社会经济发展的重大战略，已被列为国家中长期科技发展规划纲要中重点和优先发展的方向。在新能源技术的各个层次，化学电源作为一种清洁、高效的储能/供能装置，是综合缓解能源、资源和环境问题的一种重要技术途径，在新能源体系中占据重要地位。然而，目前二次电池的技术水平，特别是在能量密度和功率密度方面，还难以满足新能源技术飞速发展的需要，甚至已成为制约若干重大应用的瓶颈。例如，钒液流电池虽然适合于兆瓦级风能储电，但价格昂贵，维护复杂；铅酸电池虽然可用于光伏储电，但能量密度较低，且运行费用较高；即使目前较先进的锂离子电池，能量密度也难以达到纯电动汽车(EV)的要求。化学电源的性能取决于正负极活性材料。随着纳米技术的快速发展，纳米材料成为一类具有重要意义的新材料，开始应用于许多领域。在化学电源领域，纳米材料也倍受关注。但是由于纳米材料不稳定、在循环过程中易团聚等严重制约了纳米材料在化学电源领域的应用。有关参考文献如下[1]B. Kang, G. Ceder, Nature 458 (2009) 190.[2]Y. H. Huang, J. B. Goodenough, Chemistry of Materials 20 (2008)7237.[3] C. Sun, S. Ra j as ekhar a, J. B. Goodenough*, F. Zhou , J. Am. Chem. Soc. 133(2011)2132.[4]D. Q. Liu, Y. H. Lu, J. B. Goodenough, Journal of the Electrochemical Society 157 (2010)A1269.[5] J. Gao, J. R. Ying, C. Y. Jiang, C. R. Wan, Journal of Power Sources 166(2007)255.[6]A. Singhal, G. Skandan, G. Amatucci, F. Badway, N. Ye, A. Manthiram, H. Ye, J. J. Xu, Journal of Power Sources 129(2004)38. [7] K. L. Huang, X. G. Li，S. Q. Liu, N. Tan, L. Q. Chen. Renew. Energ. 33 (2008) 186 192.[8] Τ. Mohammadi, Μ. Skyllas Kazacos. J. Power Sources 63(1996) 179-186.[9]B. Tian，C. W. Yan，F. H. Wang. J. App 1. Electrochem. 34(2004) 1205-1210.
发明内容
本发明的目的在于针对现有电化学储能材料及电化学储能体系存在的问题，提供一种不同于传统固体电极的流体电极并直接使用纳米材料作为活性物质的纳米流体电池。
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本发明设有正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体；所述正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体按顺序装配在一起，所述隔离膜设在纳米正极流体与纳米负极流体之间，所述纳米正极流体由正极纳米活性颗粒、正极导电剂、正极电解质溶液和正极添加剂等材料组成；所述纳米负极流体由负极纳米活性颗粒、负极导电剂、负极电解质溶液和负极添加剂等材料组成。所述正极集电体和负极集电体的功能为收集电极反应时产生的电流，材料为电子良导体(例如金属材料或碳材料)。所述正极纳米活性颗粒是指参加反应的活性物质，可选自纳米级正极活性材料， 所述正极活性材料可选自亚磷酸铁锂(LiFePO4)、钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料等中的至少一种。所述正极导电剂可选自碳材料或导电聚合物等。所述正极电解质溶液可选自水溶液、非水(有机)溶液、无机熔融盐或有机熔融盐寸。所述正极添加剂可选自碳纳米管或纳米碳纤维等。所述纳米流体正极的厚度可为0. 1 100mm。所述负电极集流体可选自电子良导体，所述电子良导体可选自金属或碳材料所述负极纳米活性颗粒可选自纳米级负极活性材料，所述纳米级负极活性材料可选自纳米碳材料、纳米硅基材料、纳米锡基材料、纳米氧化物材料等中的至少一种。所述负极导电剂可选自可选自碳材料、导电聚合物等。所述负极电解质溶液可选自水溶液、非水(有机)溶液、无机熔融盐或有机熔融盐寸。所述正极添加剂可选自碳纳米管、纳米碳纤维等。所述隔离膜可选自多孔膜、均相阴离子交换膜、非均相阴离子交换膜、均相阳离子交换膜、非均相阳离子交换膜等中的一种；所述隔离膜的厚度可为0. 01 2mm。所述隔离膜具有阻隔正流体电极和负流体电极的纳米活性颗粒相互渗透的能力， 同时允许电解质溶液的离子顺利通过。所述纳米流体电池中其电化学氧化还原反应发生在纳米活性颗粒表面。所述正极纳米活性颗粒指正电极电化学活性物质，所述负极纳米活性颗粒指负电极电化学活性物质，充电时正极电化学氧化(负极还原)的产物可以在放电时返回充电前的状态。本发明不仅是一种全新的电极、电池形态，而且有效地克服了纳米材料在传统固体电极中存在体积变化、团聚、从集流网络上脱落等缺陷，为纳米储能材料的应用另辟蹊径，使得纳米材料广泛用作电化学储能材料成为可能。本发明提出的流体纳米电池，一方面是一种全新的电极形态，是流体而非固态电极，具有长循环寿命、低成本和高可靠性；另一方面，它可在流体中稳定纳米颗粒，使纳米颗粒反应有足够的体积变化空间，从而真正实现纳米电化学储能材料的应用，开辟电化学储能的新体系。其特点和优势可归纳如下1)纳米流体电池的电极是一种不同有传统固体电极的流体电极，这种流体电极也不同于活性物质处于溶解态的液流电池，其活性物质是固体纳米颗粒。
2)开辟了纳米材料作为电化学储能材料的新途径。3)克服了纳米材料在传统固体电极中存在体积变化、团聚、从集流网络上脱落等缺陷，使得纳米材料广泛用作电化学储能材料成为可能。4)该体系不使用粘结剂，简化工艺，降低成本。
图1为本发明实施例的结构组成示意图。图2为本发明实施例的放电曲线。在图2中，横坐标为mAh，纵坐标为Voltage ；曲线a为1C，曲线b为3C，曲线c为5C，曲线d为10C。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。参见图1，本发明实施例设有正极集电体11、纳米正极流体12、隔离膜13，纳米负极流体14和负极集电体15 ；所述正极集电体11、纳米正极流体12、隔离膜13，纳米负极流体14和负极集电体15按顺序装配在一起，所述隔离膜13设在纳米正极流体12与纳米负极流体14之间，所述纳米正极流体12由正极纳米活性颗粒、正极导电剂、正极电解质溶液和正极添加剂等材料组成；所述纳米负极流体由负极纳米活性颗粒、负极导电剂、负极电解质溶液和负极添加剂等材料组成。所述正极集电体和负极集电体的功能为收集电极反应时产生的电流，材料为电子良导体(例如金属材料或碳材料)。所述正极纳米活性颗粒是指参加反应的活性物质，可选自纳米级正极活性材料， 所述正极活性材料可选自亚磷酸铁锂(LiFePO4)、钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料等中的至少一种。所述正极导电剂可选自碳材料或导电聚合物等。所述正极电解质溶液可选自水溶液、非水(有机)溶液、无机熔融盐或有机熔融盐寸。所述正极添加剂可选自碳纳米管或纳米碳纤维等。所述纳米流体正极的厚度可为0. 1 100mm。所述负电极集流体可选自电子良导体，所述电子良导体可选自金属或碳材料所述负极纳米活性颗粒可选自纳米级负极活性材料，所述纳米级负极活性材料可选自纳米碳材料、纳米硅基材料、纳米锡基材料、纳米氧化物材料等中的至少一种。所述负极导电剂可选自可选自碳材料、导电聚合物等。所述负极电解质溶液可选自水溶液、非水(有机)溶液、无机熔融盐或有机熔融盐寸。 所述正极添加剂可选自碳纳米管、纳米碳纤维等。所述隔离膜可选自多孔膜、均相阴离子交换膜、非均相阴离子交换膜、均相阳离子交换膜、非均相阳离子交换膜等中的一种；所述隔离膜的厚度可为0. 01 2mm。所述隔离膜具有阻隔正流体电极和负流体电极的纳米活性颗粒相互渗透的能力， 同时允许电解质溶液的离子顺利通过。
所述纳米流体电池中其电化学氧化还原反应发生在纳米活性颗粒表面。所述正极纳米活性颗粒指正电极电化学活性物质，所述负极纳米活性颗粒指负电极电化学活性物质，充电时正极电化学氧化(负极还原)的产物可以在放电时返回充电前的状态。以下给出具体实施例。实施例1采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米Lii^ePCM+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米碳材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为2mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。图2给出该纳米流体电池不同倍率下的放电工作曲线。可以看出该体系有优异的电化学性能。实施例2参见图1，实施例2为结构相同所用正极活性材料不同的纳米流体电池。采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米LiCo02+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米碳材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为2mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。实施例3参见图1，实施例3为结构相同所用负极极活性材料不同的纳米流体电池。采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米LiCo02+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米硅基材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为2mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。实施例4参见图1，实施例4为结构相同所用电解质溶液不同的纳米流体电池。采用镍片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米三元材料 LiNil73Col73Mnl73O2+碳材料导电剂+电解质水溶液构成，纳米负极流体14由纳米碳材料+碳材料导电剂+电解质水溶液构成，纳米流体电极厚度为2mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。实施例5参见图1，实施例5为结构相同所用纳米流体厚度不同的纳米流体电池。采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米LiCo02+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米硅基材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为0. 1mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。实施例6参见图1，实施例6为结构相同所用纳米流体厚度不同的纳米流体电池。采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米LiCo02+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米硅基材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为5mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。实施例7参见图1，实施例7为结构相同所用纳米流体厚度不同的纳米流体电池。采用铝片、铜片分别作为正极集电体11和负极集电体15，纳米正极流体12由纳米LiCo02+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米负极流体14由纳米硅基材料+碳材料导电剂+有机电解质溶液构成，纳米流体电极厚度为100mm。使用聚丙烯膜(PP)作为隔离膜13，组装成纳米流体电池。
权利要求
1.纳米流体电池，其特征在于设有正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体；所述正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体按顺序装配在一起，所述隔离膜设在纳米正极流体与纳米负极流体之间，所述纳米正极流体由正极纳米活性颗粒、正极导电剂、正极电解质溶液和正极添加剂组成；所述纳米负极流体由负极纳米活性颗粒、负极导电剂、负极电解质溶液和负极添加剂组成。
2.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述正极集电体和负极集电体为电子良导体，所述电子良导体选自金属材料或碳材料。
3.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述正极纳米活性颗粒选自纳米级正极活性材料，所述正极活性材料选自亚磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料中的至少一种；所述正极导电剂最好选自碳材料或导电聚合物。
4.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述正极电解质溶液选自水溶液、 非水有机溶液、无机熔融盐或有机熔融盐；所述正极添加剂最好选自碳纳米管或纳米碳纤维。
5.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述纳米流体正极的厚度为0.1 IOOmm0
6.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述负电极集流体选自电子良导体，所述电子良导体选自金属或碳材料。
7.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述负极纳米活性颗粒选自纳米级负极活性材料，所述纳米级负极活性材料选自纳米碳材料、纳米硅基材料、纳米锡基材料、 纳米氧化物材料中的至少一种。
8.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述负极导电剂选自碳材料、导电聚合物；所述负极电解质溶液最好选自水溶液、非水有机溶液、无机熔融盐或有机熔融盐。
9.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述正极添加剂选自碳纳米管、纳米碳纤维。
10.如权利要求1所述的纳米流体电池，其特征在于所述隔离膜选自多孔膜、均相阴离子交换膜、非均相阴离子交换膜、均相阳离子交换膜、非均相阳离子交换膜中的一种；所述隔离膜的厚度为0. 01 2mm。
全文摘要
纳米流体电池，涉及一种电化学电源。提供一种不同于传统固体电极的流体电极并直接使用纳米材料作为活性物质的纳米流体电池。设有正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体；所述正极集电体、纳米正极流体、隔离膜，纳米负极流体和负极集电体按顺序装配在一起，所述隔离膜设在纳米正极流体与纳米负极流体之间，所述纳米正极流体由正极纳米活性颗粒、正极导电剂、正极电解质溶液和正极添加剂等材料组成；所述纳米负极流体由负极纳米活性颗粒、负极导电剂、负极电解质溶液和负极添加剂等材料组成。
文档编号H01M4/02GK102412383SQ20111030862
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者林祖赓, 董全峰, 郑明森 申请人:厦门大学