本發(fā)明屬于儲能電池技術(shù)領域，涉及一種用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體及其制備方法，其能夠提高液態(tài)金屬電池負極集流體的形貌差異及制備出的電池性能的一致性。

背景技術(shù)：

液態(tài)金屬電池是面向電網(wǎng)級儲能應用的新型二次電池，其單體主要由正極、負極、電解質(zhì)以及電池外殼組成。電池負極一般為堿金屬或堿土金屬的單質(zhì)或合金，正極一般為能和負極形成合金且與負極有一定電勢差的過渡金屬單質(zhì)、合金、或其它化合物。電解質(zhì)為與負極金屬對應的無機鹽或其混合物。當電池運行時，其金屬電極及無機鹽電解質(zhì)在高溫下熔融為液態(tài)，并依照密度差異自動分層。放電時，負極金屬失去電子，并通過外電路做功。負極金屬離子化后通過熔鹽遷移到正極并與正極金屬合金化。充電時，電池執(zhí)行相反的過程。通過上述的合金化及去合金化過程，液態(tài)金屬電池可以完成電能的存儲與釋放，實現(xiàn)與外部的能量交換。

液態(tài)金屬電池內(nèi)部負極材料為高溫熔融金屬，具有良好的流動性，而電池殼體一般采用金屬或合金結(jié)構(gòu)，因此二者的接觸必定造成電池的短路。也就是說，需要設計一個能夠?qū)⑷廴诮饘偌s束起來不會與電池殼體相接觸的結(jié)構(gòu)；該約束結(jié)構(gòu)需要能夠與熔融鋰有足夠的接觸面積，具有安裝簡便，可標準化生產(chǎn)，一致性好的特點；此外，負極集流體為電池內(nèi)部突出結(jié)構(gòu)，需要具有良好的物理穩(wěn)定性，以避免其在電池內(nèi)部與殼體或正極材料接觸，并提供穩(wěn)定的電流。

目前，液態(tài)金屬電池尚未產(chǎn)業(yè)化；已有的專利中，部分采用氮化硼陶瓷管阻隔電池負極材料與殼體的接觸，但該結(jié)構(gòu)一方面會造成電池重量的上升，一方面負極材料與負極集流體的接觸面積有限，反應速率受到嚴重制約；部分專利提出采用泡沫合金束縛負極材料，可完美的解決了負極材料的束縛問題，并極大的提高了電池的反應速率，但泡沫合金不能與負極集流體桿進行焊接，因此目前大多采用手工方式用鐵絲穿透泡沫合金捆綁方式進行泡沫合金的固定，使得制備出的電池穿孔大小、方位、下端保留鐵絲凸起都不一致，從而造成制備出的負極集流體形貌一致性較差。此外，對于半放電電池而言，泡沫合金每次浸滿鋰后都需要甩出一部分鋰以確保放電量在允許范圍內(nèi)(一般為20％～50％)，但手動甩存鋰在兩方面問題：一是泡沫合金在高溫下硬度很低，甩鋰過程中容易造成泡沫合金的應力損傷；二是手動甩鋰每次甩出的量不容易控制，這就又造成了一致性的不完善。眾所周知電池單體性能的一致性對電池的成組及系統(tǒng)化至關(guān)重要，因此，該結(jié)構(gòu)斷不能成為液態(tài)金屬電池工業(yè)生產(chǎn)所采用的結(jié)構(gòu)。

由于存在上述缺陷和不足，本領域亟需做出進一步的完善和改進，設計一種負極集流體，使其能夠解決液態(tài)金屬電池負極集流體的形貌差異大及制備出的電池性能的不一致問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體及其制備方法，采用螺母固定泡沫合金方式，結(jié)合雙層泡沫合金結(jié)構(gòu)，能夠在有效的固定泡沫合金同時，提高電池負極集流體的質(zhì)量和形貌一致性。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體，其特征在于，其包括電極桿、浸滿鋰的泡沫合金a和未浸過鋰的泡沫合金b，

其中，所述泡沫合金a和泡沫合金b同軸設置，且中間均設置有螺紋通孔，所述泡沫合金a的螺紋通孔和泡沫合金b的螺紋通孔的內(nèi)徑相同，所述泡沫合金b底部還有與螺紋通孔同軸設置的凹槽，所述凹槽用于安裝螺母，該凹槽的形狀與上述螺母的形狀相配合，且所述凹槽的內(nèi)徑大于螺紋通孔的內(nèi)徑，所述泡沫合金a和泡沫合金b從上至下依次同軸套設在電極桿的底部，通過設置在泡沫合金a上部的螺母和泡沫合金b底部凹槽內(nèi)的螺母，將泡沫合金a和泡沫合金b固定在電極桿的底部，所述螺母、泡沫合金a和泡沫合金b之間均緊密貼合。

具體地，采用螺紋連接的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)電極桿與泡沫合金的牢固連接，且能夠保證其外觀的一致性。而采用浸滿鋰的泡沫合金和未浸鋰的泡沫合金共同制備負極集流體，一層含鋰一層不含鋰，能夠很好地控制負極集流體中的鋰含量，省去了半放電電池后期甩鋰的步驟，能夠保證由此制備的電池性能的一致性。

進一步優(yōu)選地，浸滿鋰的泡沫合金a是將泡沫合金浸泡到高溫熔融鋰中直至吸收飽和，然后冷卻而成；所述未浸過鋰的泡沫合金b則未經(jīng)過該處理。

優(yōu)選地，所述泡沫合金a和泡沫合金b均采用鐵鎳泡沫合金、鐵泡沫合金、鎳泡沫合金、鈷鎳泡沫合金或鎳鉻泡沫合金材料制備，所述螺母均采用不銹鋼制備。較多的試驗表明，鐵鎳泡沫合金、鐵泡沫合金、鎳泡沫合金、鈷鎳泡沫合金、鎳鉻泡沫合金和不銹鋼等材料具有良好的耐腐蝕性能，用于制備電極集流體能夠有效地減少內(nèi)部環(huán)境帶來的腐蝕，延長液態(tài)金屬電池的使用壽命。

優(yōu)選地，所述電極桿的下端設置有螺紋與螺母以及所述泡沫合金a和泡沫合金b上的螺紋通孔相配合。通過螺紋連接，能夠有效的固定泡沫合金，且上述結(jié)構(gòu)可大規(guī)模機械化加工，并且組裝簡單，加工精度可控，有助于提高電池負極集流體結(jié)構(gòu)的形貌一致性。

優(yōu)選地，所述泡沫合金b底部的螺母底部與電極桿底端平齊。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種如上所述的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1.準備模具，制備出與泡沫合金a形狀相同的泡沫合金，和與泡沫合金a形狀相同且底部有凹槽的泡沫合金b待用；

s2.將步驟s1中制得的與泡沫合金a形狀相同的泡沫合金放入高溫熔融鋰中浸泡，直至該泡沫合金吸收至飽和狀態(tài)，取出冷卻后制得浸滿鋰的泡沫合金a；

s3.將底部的螺母、泡沫合金b、泡沫合金a和泡沫合金a上部的螺母從下至上依次套在電極桿上，從下至上逐個旋轉(zhuǎn)擰緊至相互之間的接觸面緊密貼合，制得雙層負極集流體。

進一步優(yōu)選地，步驟s3中擰緊后底部的螺母位于泡沫合金b底部的凹槽內(nèi)，且底部凹槽內(nèi)螺母的下表面與電極桿下表面在同一水平面。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本發(fā)明的雙層負極集流體結(jié)構(gòu)設計采用螺母固定泡沫合金方式，有效的固定泡沫合金同時，該結(jié)構(gòu)可大規(guī)模機械化加工，并且組裝簡單，加工精度可控，有助于提高電池負極集流體結(jié)構(gòu)的形貌一致性。

(2)本發(fā)明采用雙層泡沫合金結(jié)構(gòu)，一層浸鋰，一層不浸鋰，可精準控制液態(tài)金屬電池初始放電程度，不僅使得電池正負極處理可以同時進行，提高生產(chǎn)效率；而且減少了組裝過程中的匹配記錄，避免誤操作帶來的電池內(nèi)部裝料不一致的可能；同時，減少了手動甩鋰過程帶來的泡沫的應力損傷及甩鋰不一致。多角度作用，極大地改善了電池的組裝工藝并提高了電池的一致性。且泡沫合金、不銹鋼等材料具有良好的耐腐蝕性能，用于制備電極集流體能夠有效地減少液體帶來的腐蝕，延長液態(tài)金屬電池的使用壽命。

(3)本發(fā)明的負極集流體結(jié)構(gòu)的制備方法步驟簡單易操作，可采用標準化流程進行生產(chǎn)，加工精度可控，能夠極大地提高最終產(chǎn)品的一致性，且生產(chǎn)效率高，降低了成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的電極桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的螺母結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的浸滿鋰的泡沫合金結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的未浸過鋰的泡沫合金結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為用本發(fā)明的雙層負極集流體裝配好的電池充放電曲線示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-電極桿，2-螺母，3-泡沫合金a，4-泡沫合金b。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，其包括電極桿、浸滿鋰的泡沫合金a和未浸過鋰的泡沫合金b，

其中，所述泡沫合金a和泡沫合金b同軸設置，且中間均設置有螺紋通孔，所述泡沫合金a的螺紋通孔和泡沫合金b的螺紋通孔的內(nèi)徑相同，所述泡沫合金b底部還有與螺紋通孔同軸設置的凹槽，所述凹槽用于安裝螺母，該凹槽的形狀與上述螺母的形狀相配合，且所述凹槽的內(nèi)徑大于螺紋通孔的內(nèi)徑，所述泡沫合金a和泡沫合金b從上至下依次同軸套設在電極桿的底部，通過設置在泡沫合金a上部的螺母和泡沫合金b底部凹槽內(nèi)的螺母，將泡沫合金a和泡沫合金b固定在電極桿的底部，所述螺母、泡沫合金a和泡沫合金b之間均緊密貼合。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，浸滿鋰的泡沫合金a是將泡沫合金浸泡到高溫熔融鋰中直至吸收飽和，然后冷卻而成；所述未浸過鋰的泡沫合金b則未經(jīng)過該處理。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述泡沫合金a和泡沫合金b均采用鐵鎳泡沫合金、鐵泡沫合金、鎳泡沫合金、鈷鎳泡沫合金或鎳鉻泡沫合金材料制備，所述螺母均采用不銹鋼制備。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述電極桿的下端設置有螺紋與螺母以及所述泡沫合金a和泡沫合金b上的螺紋通孔相配合。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述泡沫合金b底部的螺母底部與電極桿底端平齊。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種如上所述的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1.準備模具，制備出與泡沫合金a形狀相同的泡沫合金，和與泡沫合金a形狀相同且底部有凹槽的泡沫合金b待用；

s2.將步驟s1中制得的與泡沫合金a形狀相同的泡沫合金放入高溫熔融鋰中浸泡，直至該泡沫合金吸收至飽和狀態(tài)，取出冷卻后制得浸滿鋰的泡沫合金a；

s3.將底部的螺母、泡沫合金b、泡沫合金a和泡沫合金a上部的螺母從下至上依次套在電極桿上，從下至上逐個旋轉(zhuǎn)擰緊至相互之間的接觸面緊密貼合，制得雙層負極集流體。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，步驟s3中擰緊后底部的螺母位于泡沫合金b底部的凹槽內(nèi)，且底部凹槽內(nèi)螺母的下表面與電極桿下表面在同一水平面。

為更好地解釋本發(fā)明，以下給出一個具體實施例：

第一部分：

如圖2-5，本發(fā)明提供的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流按照圖示進行組件加工，首先，以圖2電極桿作為軸，按照圖3螺母，圖4浸滿鋰的泡沫合金a，圖5未浸過鋰的泡沫合金b從上到下的順序組裝到圖2電極桿上，盡量將所有元器件擰到圖2電極桿的上部；第二步，將另一圖3螺母擰到圖2電極桿的最下端，下表面與圖2電極桿下表面在同一水平面。第三步，將圖5未浸過鋰的泡沫合金向下拖動，直到與底部螺母完全貼合；將圖4浸滿鋰的泡沫合金a向下旋轉(zhuǎn)至與圖5未浸過鋰的泡沫合金上表面緊密貼合；將圖3上部螺母向下旋轉(zhuǎn)至與圖4浸滿鋰的泡沫合金a上表面貼合。

采用本發(fā)明的用于液態(tài)金屬電池的雙層負極集流體，采用泡沫合金吸附液態(tài)鋰，一方面實現(xiàn)了液態(tài)鋰的有效束縛，另一方面增大了鋰與負極集流體的接觸面積，從而提高了負極材料的反應速率；采用螺母固定方式，在有效實現(xiàn)鐵鎳泡沫合金與負極集流體桿的連接同時，可完全采用標準化組件完成，極大的降低了手工固定帶來的誤差；最重要的，雙層鐵鎳泡沫合金的設計，能夠有效控制負極鋰的吸附量，并避免了甩鋰對鐵鎳泡沫合金造成的應力損傷。

第二部分：

采用本發(fā)明所述的雙層負極集流體及制備方法，制備出了能夠穩(wěn)定充放電的液態(tài)金屬電池，如圖6所示，上層曲線為電壓－時間曲線，下層曲線為電流－時間曲線。多次試驗結(jié)果證明采用上述雙層負極集流體所制備的電池的性能具有較高的一致性。

第三部分：

采用上述雙層負極集流體所制備的電池的循環(huán)性能測試：

本領域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。