一種綠色低成本水系鈉離子電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲(chǔ)能電池，具體涉及一種綠色低成本水系鈉離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力需求市場(chǎng)越來(lái)越大，對(duì)電能供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，同時(shí)環(huán)境污染、氣候異常、能源危機(jī)等問(wèn)題日益突出，推廣清潔、可再生能源的國(guó)際呼聲不斷加大。大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)能夠在一定程度上滿足上述需求，近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。電化學(xué)儲(chǔ)能是目前進(jìn)步最快的儲(chǔ)能技術(shù)之一，包括鉛酸、鎳氫、液流、鈉硫和鋰離子電池等蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)。CN102709567A公開(kāi)了一種鉛酸電池，通過(guò)向鉛酸電池的負(fù)極添加導(dǎo)電劑和碳材料，解決了現(xiàn)有鉛酸電池的大電流性能差和循環(huán)壽命短等問(wèn)題。但是上述方法只是提高了鉛酸電池的電化學(xué)性能，并不能避免鉛酸電池固有的環(huán)境污染和安全性的問(wèn)題，例如使用有毒元素鉛和強(qiáng)腐蝕性酸硫酸。CN102842736A公開(kāi)了一種高安全性鋰離子二次電池，其電池性能穩(wěn)定可靠，解決了電池隔膜融化所導(dǎo)致的電池短路問(wèn)題，保證了鋰離子電池能長(zhǎng)時(shí)間正常工作，體現(xiàn)了良好的安全性能。但其使用的有機(jī)電解液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，此外鋰離子電池的價(jià)格較貴，不適合應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。Whitacre等報(bào)導(dǎo)了以λ -MnO2作為正極、高比表面積活性碳作為負(fù)極的水系鈉離子電池，能夠獲得較高的放電電壓和比容量(J.Power Sources, 2012，213，255)，但是在λ-MnO2的合成過(guò)程中采用電解氧化錳作為原料使得產(chǎn)物中含有Mn2O3等雜質(zhì)，容易對(duì)電池的電化學(xué)性能造成不利的影響，此外由于使用了昂貴的活性碳作為負(fù)極的原料使得整個(gè)電池的成本達(dá)2元/Wh，比鉛酸電池I元/Wh高一倍，成本相對(duì)較高還不能滿足實(shí)用化的需求。目前現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)還不能滿足儲(chǔ)能市場(chǎng)領(lǐng)域所需具備的安全環(huán)保、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)等要求。所以，開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)能電池技術(shù)對(duì)解決能源、環(huán)境和氣候等突出問(wèn)題具有重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能電池技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種可應(yīng)用于儲(chǔ)能市場(chǎng)領(lǐng)域的綠色低成本水系鈉離子電池，該電池具有對(duì)環(huán)境無(wú)污染、安全性能高、原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使得大規(guī)模商用成為可能。
[0004]在此，本發(fā)明提供一種綠色低成本水系鈉離子電池，所述水系鈉離子電池包括:殼體、和設(shè)置于所述殼體內(nèi)部的至少一個(gè)電池單元；所述電池單元包括:由多孔正極板、多孔負(fù)極板及隔膜組成的極組、和電解液；所述殼體的底部設(shè)置有凹槽。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，殼體的底部設(shè)置有凹槽，由于極板表面的活性物質(zhì)會(huì)有一定程度脫落，為增強(qiáng)電池系統(tǒng)的安全性，通過(guò)設(shè)置這種凹槽以防止脫落的活性物質(zhì)堆積而造成的正負(fù)極板短路。
[0006]本發(fā)明中，所述殼體可以實(shí)現(xiàn)電池單元的擴(kuò)展和集成。
[0007]較佳地，所述殼體的內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)腔體，所述腔體的底部設(shè)置有凹槽，所述腔體中容納有所述電池單元。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，可以在殼體的各腔體中相互獨(dú)立地容納多個(gè)電池單元。又，各腔體的底部設(shè)置有凹槽，可以防止脫落的活性物質(zhì)堆積而造成的正負(fù)極板短路。
[0009]較佳地，所述多孔正極板和/或多孔負(fù)極板由多孔泡沫鎳極板制成。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，正極板和負(fù)極板為多孔泡沫鎳極板，多孔泡沫鎳電極板自身的多孔網(wǎng)狀形貌特征能夠相互連接形成若干個(gè)開(kāi)口通道，這些絲狀物相連的連續(xù)節(jié)點(diǎn)能夠使得該電池結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上經(jīng)受壓縮、延展、彎曲、震動(dòng)等機(jī)械沖擊，保持正負(fù)極板具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，提供優(yōu)越的安全性能。又，多孔泡沫鎳電極板自身多孔疏松的特性增加了極板的表面面積，使得附著于多孔泡沫鎳表面的活性物質(zhì)可以和電解液更充分地接觸，減小了鈉離子傳輸運(yùn)動(dòng)距離，增強(qiáng)了正負(fù)極活性物質(zhì)參加電化學(xué)反應(yīng)的能力和活性材料的實(shí)際利用率，提高了所述電池單元的工作效率和水系鈉離子電池的容量。
[0011]較佳地，所述正極板的厚度為0.1cm?1.0cm,所述負(fù)極板的厚度為0.2cm?
2.0cm0
[0012]根據(jù)本發(fā)明，在保證多孔泡沫鎳電極板作為活性物質(zhì)基體的基本作用的同時(shí)，考慮所述電池單元的內(nèi)部電阻和多孔泡沫鎳極板材料的成本，選擇多孔泡沫鎳極板合適的厚度尺寸范圍。
[0013]較佳地，所述多孔正極板負(fù)載有錳基氧化物材料正極活性物質(zhì)。通過(guò)使用正極活性物質(zhì)為鈉離子可嵌入和脫出的錳基氧化物，可以在充放電循環(huán)時(shí)，在正極上實(shí)現(xiàn)鈉離子的嵌入和脫出。
[0014]較佳地，所述正極活性物質(zhì)為1^]^204、他。.4411102、和]\11102中的至少一種。這些物質(zhì)來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使所述水系鈉離子電池綠色低成本，且可大規(guī)模商用。
[0015]較佳地，所述多孔負(fù)極板負(fù)載有碳基材料負(fù)極活性物質(zhì)。通過(guò)使負(fù)極活性物質(zhì)為鈉離子可嵌入的碳基材料，可以在充放電循環(huán)時(shí)，在負(fù)極上實(shí)現(xiàn)鈉離子的嵌入和脫出。
[0016]較佳地，所述負(fù)極活性物質(zhì)為活性炭、碳纖維、和硬碳中的至少一種。這些物質(zhì)來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使所述水系鈉離子電池綠色低成本，且可大規(guī)模商用。
[0017]較佳地，所述隔膜為無(wú)紡布或玻璃纖維布。
[0018]較佳地，所述電解液為可溶性無(wú)機(jī)鈉鹽的水溶液。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，所述電池單元的電解液采用無(wú)機(jī)水溶液，有效地避免了鉛酸電池體系對(duì)環(huán)境的污染，以及有機(jī)電解液體系不可避免的電池燃燒的危險(xiǎn)。
[0020]較佳地，所述可溶性無(wú)機(jī)鈉鹽為Na2SO4、NaNO3、和NaCl中的至少一種。這些物質(zhì)來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使所述水系鈉離子電池綠色低成本，且可大規(guī)模商用。
[0021]本發(fā)明提供的綠色低成本水系鈉離子電池與現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)相比，其原材料來(lái)源廣泛且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，安全可靠。所述多孔泡沫鎳極板的特殊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了正負(fù)極活性物質(zhì)參加電化學(xué)反應(yīng)的能力，提高了電池單元的儲(chǔ)能容量，其良好的抗壓縮、延展、彎曲、震動(dòng)等機(jī)械沖擊能力，提高了水系鈉離子電池的安全性。所述水系鈉離子電池殼體的腔體的底部增設(shè)的凹槽設(shè)計(jì)，可以有效防止活性物質(zhì)堆積造成的極板短路，保證了水系鈉離子電池的正常使用和長(zhǎng)工作壽命。此外，所述電池單元的電解液采用無(wú)機(jī)水溶液，有效地避免了鉛酸電池體系對(duì)環(huán)境的污染，以及有機(jī)電解液體系不可避免的電池燃燒的危險(xiǎn)。因此本發(fā)明所述的綠色低成本水系鈉離子電池具有安全環(huán)保、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為綠色低成本水系鈉離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為綠色低成本水系鈉離子電池殼體的剖面俯視圖；
圖3為綠色低成本水系鈉離子電池的剖面俯視圖；
圖4為負(fù)極板的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為正極板的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為水系鈉離子電池的充放電曲線；
符號(hào)說(shuō)明:
I為殼體，2為凹槽,3為負(fù)極板,4為隔膜,5為正極板,6為接線柱,7為電池單元,8為腔體。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)理解，附圖和/或【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明本發(fā)明而非限制本發(fā)明。另外，對(duì)所有附圖中相同或相當(dāng)?shù)脑貥?biāo)以相同的符號(hào)并省略其重復(fù)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明提供一種綠色低成本水系鈉離子電池。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例的綠色低成本水系鈉離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的綠色低成本水系鈉離子電池包括殼體1、和設(shè)置于殼體I內(nèi)部的至少一個(gè)電池單元7。
[0025]在圖1的示例中，殼體I為方形，但應(yīng)理解，殼體的形狀不限于此，例如也可以為圓柱形等其它形狀。殼體I可由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料制成。殼體I上可設(shè)置有一對(duì)接線柱6。本發(fā)明中，殼體I可以實(shí)現(xiàn)電池單元的擴(kuò)展和集成。
[0026]殼體I可以分割為多個(gè)腔體，這樣可以相互獨(dú)立地容納多個(gè)電池單元7。圖2示出本發(fā)明一個(gè)示例的綠色低成本水系鈉離子電池殼體的剖面俯視圖。如圖2所示，殼體I被分割為四個(gè)腔體8。又，在該示例中，各腔體的大小相同。但應(yīng)理解，腔體的個(gè)數(shù)不限于四個(gè)，而可以根據(jù)需要設(shè)置為任意個(gè)數(shù)；另外，各個(gè)腔體的尺寸規(guī)格沒(méi)有明確限制。
[0027]又，如圖1和圖2所示，殼體I (腔體8)的底部設(shè)置有凹槽2。凹槽2的配置形式不限，例如可以如圖1、2所示縱橫交錯(cuò)地配置。由于電池單元7的正負(fù)極板3、5 (參見(jiàn)后述)表面的活性物質(zhì)會(huì)有一定程度脫落，為增強(qiáng)電池系統(tǒng)的安全性，通過(guò)設(shè)置這種凹槽以防止脫落的活性物質(zhì)堆積而造