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硝酸共熔盐及其在高温锂电池中的应用

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发表于 2015-10-29 08:50:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
近些年间,随着能源需求的增加,能源勘探工作变得越来越重要。在石油、天然气勘探领域,勘探设备工作温度可能高达200 °C,而且随着勘探深度加深,工作温度会更高;在地热勘探领域,勘探设备工作温度为200~400 °C。而目前商业化电池(如锂离子电池、燃料电池等)的工作温度为-55~70 °C,最高的Li–Mg/SOC12电池可达200 °C;军事领域普遍使用的热电池工作温度高达350~550 °C;但工作在200~350 °C间的高温电池目前还没有实现商业化应用。其他领域,如汽车轮胎检测系统、地下测压计等对高温电池都有着广泛的需求。 提供了一种借鉴热电池技术开发可在150~300 °C环境中工作的高温锂电池方案:使用Li–Mg–B合金作电池负极材料,硝酸共熔盐作电池电解质材料,MnO2作电池正极材料。 在制备高温锂电池电解质材料过程中,发现传统的熔盐制备技术要求整个过程需要在RH≤3的干燥环境中进行,这不仅增加了材料制备的操作难度,还增加材料的生产成本;而且在球磨研碎原材料的过程中难免存在材料研磨不彻底的问题,还会损耗原材料;更关键的是球磨对质地柔软或质地非常坚硬的原材料是无能为力的。为此,本文对熔盐的传统制备技术进行了改进,提供了一种制备熔盐电解质的新工艺。新工艺在制备熔盐过程中,只有部分步骤需要在RH≤3的干燥环境中进行,降低了材料的制备条件。 采用新工艺制备了LiNO3–KNO3–Ca(NO3)2、LiNO3–KNO3–KNO2–Ca(NO3)2、LiNO3–KNO3–Mg(NO3)(OH)及LiNO3–KNO3–Ca(NO3)2–Mg(NO3)(OH)硝酸共熔盐,并测定了各硝酸共熔盐的熔点和热稳定温度范围,为硝酸共熔盐在高温锂电池中的应用起到了指导作用。 本文最终选取了33.2%LiNO3–66.8%KNO3、23%LiNO3–62%KNO3–15%Ca(NO3)2、40%LiNO3–20%KNO3–30%KNO2–10%Ca(NO3)2及25.5%LiNO3–61.3%KNO3–13.2% Mg(NO3)(OH)(质量百分数)硝酸共熔盐作电池电解质材料,与Li-Mg-B合金/MnO2电化学对组成高温锂电池。并对高温锂电池的相关性能进行了测试:(1)通过热分析方法测定了材料间的兼容性;(2)通过电化学方法测定了各硝酸共熔盐在150~300 °C温度范围内的离子电导率;(3)对电池在150~300 °C温度范围内及10~30 mA/cm2速率范围内的放电性能进行了测试,并阐明了各电池系统的放电机制,同时测定了Li-Mg-B合金、MnO2的放电容量。 这些电池系统不仅继承了热电池安全可靠和储存寿命长等优点,更重要的是它们可在150 °C激活,并可在150~300 °C环境中工作,开路电压高达3.1~3.6V,初始放电电压平台可超过2.85V,在石油天然气及地热深钻孔领域有很大的应用前景。
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