一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统

本发明涉及锂二氧化碳电池，特别是涉及一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统。

背景技术：

1、非水系锂二氧化碳电池是一种实现大规模二氧化碳捕获和高效电能转换的重要技术。锂二氧化碳电池基于金属锂和二氧化碳之间的电化学反应，在固定二氧化碳的同时能够输出可观的电能，在新能源和节能环保等领域中，表现出极大的应用前景。在发电方面，锂二氧化碳电池理论能量密度高达1876wh/kg，是锂离子电池的6倍。在固碳方面，电池可以将二氧化碳捕集利用生成具有经济价值的工业产品。在运行过程中，金属锂失去电子变为锂离子；溶解在电解液中的二氧化碳在空气电极中发生还原反应，与锂离子结合，生成固体产物碳酸锂(li2co3)和碳(c)储存在空气电极内部。以此，同时实现“固碳”与“发电”。

2、尽管锂二氧化碳电池在固碳和发电方面表现出巨大潜力，但其运行电流小(0.1ma/cm2)、实际能量密度低(<300wh/kg)、气氛适应能力差等问题限制了其实际应用。具体而言，电池性能主要受到反应动力学缓慢和物质传输受阻的限制。由于二氧化碳中碳以稳定的最高价态存在，锂二氧化碳电池的正极动力学非常缓慢，严重限制了倍率性能和电压平台。虽然通过采用高性能催化剂可以有效提升动力学，然而，固体放电产物碳酸盐具有较低的电导率，会增加电子转移阻抗，造成电极钝化，阻碍电极表面对活性物质(锂离子、二氧化碳以及草酸根等中间产物)的吸附，导致更加严重的极化现象，使得其性能随着电流增大而快速衰减。由于溶解态气体浓度相对较低且在电极厚度方向呈现明显的梯度分布，固体产物会在空气电极外侧优先沉积，造成电极局部孔隙率不均匀和活性物质传输受阻，从而锂二氧化碳电池表现出低能量密度。

技术实现思路

1、基于上述内容，本发明提供一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统。通过对锂二氧化碳电池系统进行设计，以及通过二氧化碳混气和低浓度液流电解液的调控作用，使得锂二氧化碳电池性能不再受限于缓慢的反应动力学和固体产物的影响，在回收具有经济价值的固体产物的同时，实现高放电电压和高放电容量。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明技术方案之一，一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统，包括依次连通的电池体、蠕动泵、电解液池和分离池，以及储气室和端板；所述储气室和端板通过密封垫将电池体密封于储气室内部；所述电池体由一侧至另一侧，依次包括第一集流体、锂电极、流场、碳电极、第二集流体；所述蠕动泵与所述流场和电解液池分别通过管路连接；所述电解液池与所述分离池通过管路连接；所述分离池与所述流场通过管路连接。

4、本发明技术方案之二，一种提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，采用上述的可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统。

5、本发明公开了以下技术效果：

6、(1)相比于传统静态电池，本发明电池系统可促进锂二氧化碳电池电池持续固定二氧化碳和大量放电目标实现。

7、(2)本发明基于二氧化碳混气突破反应动力学缓慢的限制，提升二氧化碳电化学反应速率和极限电流密度，为获得高电流密度提供了可能。

8、(3)本发明通过低浓度(锂盐)的液流电解液调控作用以实现溶解态的li2c2o4产物生成，从而解决固体产物导致的电极钝化和堵塞问题，为获得高容量提供了借鉴。

技术特征：

1.一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统，其特征在于，包括依次连通的电池体、蠕动泵、电解液池和分离池，以及储气室和端板；所述储气室和端板通过密封垫将电池体密封于储气室内部；所述电池体由一侧至另一侧，依次包括第一集流体、锂电极、流场、碳电极、第二集流体；所述蠕动泵与所述流场和电解液池分别通过管路连接；所述电解液池与所述分离池通过管路连接；所述分离池与所述流场通过管路连接。

2.一种提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统。

3.根据权利要求2所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统中的燃料气为二氧化碳与氧气和/或水的混合气；电解液池中液流电解液的浓度为0.01～0.3m。

4.根据权利要求3所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述液流电解液的溶质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂或高氯酸锂，溶剂为二甲基亚砜、四乙二醇二甲醚或乙二醇二甲醚中的一种；所述液流电解液中含有饱和的二氧化碳。

5.根据权利要求4所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述液流电解液中还包括电解液缓释剂。

6.根据权利要求5所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述电解液缓释剂为硝酸锂。

7.根据权利要求2所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述碳电极采用碳基导电材料。

8.根据权利要求2所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述锂电极为含锂的金属。

9.根据权利要求2所述的提高锂二氧化碳电池放电电压和放电容量的方法，其特征在于，所述分离池中含有沉淀剂。

技术总结
本发明涉及锂二氧化碳电池技术领域，特别是涉及一种可持续固碳与发电的新型锂二氧化碳电池系统。该电池系统包括依次连通的电池体、蠕动泵、电解液池和分离池，以及储气室和端板；所述储气室和端板通过密封垫将电池体密封于储气室内部；所述电池体由一侧至另一侧，依次包括第一集流体、锂电极、流场、碳电极、第二集流体；所述蠕动泵与所述流场和电解液池分别通过管路连接；所述电解液池与所述分离池通过管路连接；所述分离池与所述流场通过管路连接。相比于传统静态电池，本发明电池系统可促进锂二氧化碳电池电池持续固定二氧化碳和大量放电目标实现。

技术研发人员：肖旭,谈鹏,张卓君,颜爱晶,郝雅森
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4