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一种热电集流体结构的电池及其制备方法

申请号 CN202410121270.1 申请日 2024-01-29 公开(公告)号 CN117939991A 公开(公告)日 2024-04-26
申请人 东莞理工学院; 松山湖材料实验室; 发明人 逯瑶; 王欣; 刘文静;
摘要 本 发明 公开了一种热电集 流体 结构的 电池 及其制备方法,包括正极壳和负极壳,以及设置在正极壳和负极壳之间的供电组件,所述供电组件包括P型热电正极、隔膜和N型热电负极,本发明涉及 能源 转换技术领域。该热电集流体结构的电池及其制备方法,通过正极壳、负极壳、P型热电正极、隔膜、 电解 液和N型热电负极的配合,进行热电集流体电池的构建,在电池运行产生废热时,P型热电正极和N型热电负极中多数载流子从热端流向冷端,与电池内部 电子 移动方向相同,增加电池 电流 ,达到充分利用在电池工作过程中产生的废热,将 热能 转化为 电能 的目的,减少废热堆叠带来的安全隐患,同时有效延长了电池使用寿命。
权利要求

1.一种热电集流体结构的电池,包括正极壳(1)和负极壳(2),以及设置在正极壳(1)和负极壳(2)之间的供电组件(3),其特征在于:所述供电组件(3)包括P型热电正极(4)、隔膜(5)和N型热电负极(6),所述隔膜(5)设置在P型热电正极(4)和N型热电负极(6)之间,且隔膜(5)上滴加有电解液(9)。
2.根据权利要求1所述的一种热电集流体结构的电池,其特征在于:所述N型热电负极(6)的顶部设置有垫片(7),所述垫片(7)的顶部设置有弹片(8),所述P型热电正极(4)设置在正极壳(1)的内部,所述弹片(8)的顶部与负极壳(2)的底部相接触
3.一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
步骤一、制备P型热电材料和N型热电材料;
步骤二、将P型热电材料制备成P型热电正极(4),将N型热电材料制备成N型热电负极(6);
步骤三、按照正极壳(1)、P型热电正极(4)、隔膜(5)、电解液(9)、N型热电负极(6)、垫片(7)、弹片(8)和负极壳(2)的顺序进行电池组装。
4.根据权利要求3所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述P型热电材料包括硒化亚、碲化铋和硫化亚铜中的一种,所述N型热电材料采用硒化、硫化银和硒化铋中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述步骤一中P型热电材料的制备方法包括:
S1、将含有P型热电材料所需金属的盐溶液加入含有P型热电材料所需阴离子的乙二醇溶液中,加热搅拌反应后,获取含有所需P型热电材料的混合溶液;
S2、将混合溶液依次进行固液分离、清洗、真空烘干和研磨,获取P型热电材料;
所述步骤一中N型热电材料的制备方法包括:
S3、将含有N型热电材料所需金属的盐溶液加入N型热电材料含有所需阴离子的乙二醇溶液中,加热搅拌反应后,获取含有所需N型热电材料的混合溶液;
S4、将混合溶液依次进行固液分离、清洗、真空烘干和研磨,获取N型热电材料。
6.根据权利要求5所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述S1和S3中加热温度为20℃‑800℃,搅拌时间为1h—48h;
所述S2和S4中固液分离包括以不低于4000r/min的转速离心2min—40min;
所述S2和S4中清洗包括交替使用去离子、异丙醇、丙乙醇以不低于4000r/min的转速离心清洗2min—20min;
所述S2和S4中真空烘干温度为50℃‑800℃,时间为2h—48h。
7.根据权利要求4所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述步骤二中P型热电正极(4)和N型热电负极(6)的制备方法包括:
S5、将P型热电材料、有机溶剂聚合物粘结剂按照设定混合比进行混合搅拌,获取正极混合溶剂,将N型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂按照设定混合比进行混合搅拌,获取负极混合溶剂;
S6、使用移液枪将正极混合溶剂均匀涂覆在电池正极上后,放入烘箱进行烘干,烘干后获取P型热电正极(4),使用移液枪将负极混合溶剂均匀涂覆在电池负极上后,放入烘箱进行烘干,烘干后获取N型热电负极(6)。
8.根据权利要求7所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述P型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂的混合比为:0.01—2g:10—500mL:0.01—1mg;
所述N型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂的混合比为:0.01—2g:10—500mL:
0.01—1mg;
所述有机溶剂为N‑甲基吡咯烷和酸乙烯酯中的一种;
所述聚合物粘结剂为丁苯橡胶、聚偏二氟乙烯、碳凝胶、聚碳酸酯、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种;
所述S5中搅拌的时间为1h—48h,所述S6中烘干的温度为50℃‑100℃,烘干时间为1h—
12h。
9.根据权利要求3所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述隔膜(5)为玻璃纤维素、聚烯纤维素和聚乙烯中的一种。
10.根据权利要求3所述的一种热电集流体结构的电池的制备方法,其特征在于:所述电解液(9)为三氟甲烷磺酸锌和硫酸锌中的一种。

说明书全文

一种热电集流体结构的电池及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能源转换技术领域,具体为一种热电集流体结构的电池及其制备方法。

背景技术

[0002] 传统电池在充放电过程中产生大量废热,导致能量浪费和对电池及环境的负面影响,这种废热不仅会加速电池老化和损坏,缩短使用寿命,而且高温环境还可能引发安全问题,此外,废热散发还会对环境造成热污染,影响生态平衡和人类健康。
[0003] 如专利号为CN117059904A所述的一种锂离子电池及储能电池组,其通过复合热电材料的大面积涂覆保证了锂离子电池出现异常时热电材料能将热能转换为电能,降低电池组的经济损失。
[0004] 基于对上述资料的检索,可以看出,其并没有将电池内部产生的废热加以利用,不仅能量利用率不高,而且电池依然会存在因膨胀而导致爆炸的可能,为此,特提出一种热电集流体结构的电池及其制备方法,可以将电池内部产生的废热有效转化为电能,减少废热的排放以及环境污染,延长电池的使用寿命,提高能源储存的可持续性和经济性,且制备方法工艺简单,节能环保,安全性高,可大批量生产。

发明内容

[0005] (一)解决的技术问题
[0006] 针对现有技术的不足,本发明提供了一种热电集流体结构的电池及其制备方法,解决了传统电池没有将电池内部产生的废热加以利用,不仅能量利用率不高,而且电池依然会存在因膨胀而导致爆炸可能的问题。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种热电集流体结构的电池,包括正极壳和负极壳,以及设置在正极壳和负极壳之间的供电组件,所述供电组件包括P型热电正极、隔膜和N型热电负极,所述隔膜设置在P型热电正极和N型热电负极之间,且隔膜上滴加有电解液。
[0009] 本发明进一步设置为:所述N型热电负极的顶部设置有垫片,所述垫片的顶部设置有弹片,所述P型热电正极设置在正极壳的内部,所述弹片的顶部与负极壳的底部相接触
[0010] 本发明还公开了一种热电集流体结构的电池的制备方法,具体包括以下步骤:
[0011] 步骤一、制备P型热电材料和N型热电材料;
[0012] 步骤二、将P型热电材料制备成P型热电正极,将N型热电材料制备成N型热电负极;
[0013] 步骤三、按照正极壳、P型热电正极、隔膜、电解液、N型热电负极、垫片、弹片和负极壳的顺序进行电池组装;
[0014] 先按照正极壳、P型热电正极、隔膜的顺序依次放置,然后滴加电解液,再按照N型热电负极、垫片、弹片以及负极壳的顺序放置,最后用机器进行压紧处理,压的强度为100kpa‑1000kpa,压力维持时间1s—600s,由此,可以使电池单体与组件之间的稳定性和紧密度,保证电池的安全性和可靠性。
[0015] 为了延长电池使用寿命,本发明进一步设置为:所述P型热电材料包括硒化亚、碲化铋和硫化亚铜中的一种,所述N型热电材料采用硒化、硫化银和硒化铋中的一种,保证热电材料利用温差调控载流子的运动进而控制电流方向时,能与电池内部电流方向相同,达到延长电池寿命的目的。
[0016] 本发明进一步设置为:所述步骤一中P型热电材料的制备方法包括:
[0017] S1、将含有P型热电材料所需金属的盐溶液加入含有P型热电材料所需阴离子的乙二醇溶液中,加热搅拌反应后,获取含有所需P型热电材料的混合溶液;
[0018] S2、将混合溶液依次进行固液分离、清洗、真空烘干和研磨,获取P型热电材料;
[0019] 所述步骤一中N型热电材料的制备方法包括:
[0020] S3、将含有N型热电材料所需金属的盐溶液加入N型热电材料含有所需阴离子的乙二醇溶液中,加热搅拌反应后,获取含有所需N型热电材料的混合溶液;
[0021] S4、将混合溶液依次进行固液分离、清洗、真空烘干和研磨,获取N型热电材料。
[0022] 为了得到无杂质的热电材料,本发明进一步设置为:所述S1和S3中加热温度为20℃‑800℃,搅拌时间为1h—48h;
[0023] 所述S2和S4中固液分离包括以不低于4000r/min的转速离心2min—40min;
[0024] 所述S2和S4中清洗包括交替使用去离子、异丙醇、丙乙醇以不低于4000r/min的转速离心清洗2min—20min;
[0025] 所述S2和S4中真空烘干温度为50℃‑800℃,时间为2h—48h。
[0026] 本发明进一步设置为:所述步骤二中P型热电正极和N型热电负极的制备方法包括:
[0027] S5、将P型热电材料、有机溶剂聚合物粘结剂按照设定混合比进行混合搅拌,获取正极混合溶剂,将N型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂按照设定混合比进行混合搅拌,获取负极混合溶剂;
[0028] S6、使用移液枪将正极混合溶剂均匀涂覆在电池正极上后,放入烘箱进行烘干,烘干后获取P型热电正极,使用移液枪将负极混合溶剂均匀涂覆在电池负极上后,放入烘箱进行烘干,烘干后获取N型热电负极。
[0029] 本发明进一步设置为:所述P型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂的混合比为:0.01—2g:10—500mL:0.01—1mg;
[0030] 所述N型热电材料、有机溶剂和聚合物粘结剂的混合比为:0.01—2g:10—500mL:0.01—1mg;
[0031] 所述有机溶剂为N‑甲基吡咯烷和酸乙烯酯中的一种,可以形成一层保护膜减少电极腐蚀和损耗以及调控载流子迁移率等性能参数,保证电池的使用寿命的延长;
[0032] 所述聚合物粘结剂为丁苯橡胶、聚偏二氟乙烯、碳凝胶、聚碳酸酯、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种,可以有效抑制正负极膨胀现象、降低界面阻抗以及促进载流子传输,保证电池的使用寿命的延长;
[0033] 所述S5中搅拌的时间为1h—48h,所述S6中烘干的温度为50℃‑100℃,烘干时间为1h—12h,保证热电材料的均匀性以及成膜性,保证电池的使用寿命的延长。
[0034] 为了保证电池正常工作,本发明进一步设置为:所述隔膜为玻璃纤维素、聚烯纤维素和聚乙烯中的一种,可以避免正负极直接接触导致电流短路现象产生,以及限制电流流动方向,保证电池能够正常工作。
[0035] 本发明进一步设置为:所述电解液为三氟甲烷磺酸锌和硫酸锌中的一种,可以使电池两极间产生电位差以及维持电池稳定性能,保证电池的正常工作。
[0036] (三)有益效果
[0037] 本发明提供了一种热电集流体结构的电池及其制备方法。具备以下有益效果:
[0038] (1)本发明通过正极壳、负极壳、P型热电正极、隔膜、电解液和N型热电负极的配合,进行热电集流体电池的构建,在电池运行产生废热时,P型热电正极和N型热电负极中多数载流子从热端流向冷端,与电池内部电子移动方向相同,增加电池电流,达到充分利用在电池工作过程中产生的废热,将热能转化为电能的目的,减少废热堆叠带来的安全隐患,同时有效延长了电池使用寿命。
[0039] (2)本发明通过正极壳、P型热电正极、隔膜、电解液、N型热电负极和负极壳的依次装配即可实现热电集流体电池的构建,制备方法简单的同时,更为节能环保,安全性可靠,还具有适合进行大批量生产的优势。附图说明
[0040] 图1为本发明结构的展开示意图;
[0041] 图2为本发明的流程示意图;
[0042] 图3为本发明实施例一中硒化银的性能示意图;
[0043] 图4为本发明实施例一中硒化亚铜的性能示意图;
[0044] 图5为本发明实施例一中得到热电集流体结构的电池的性能示意图;
[0045] 图6为本发明实施例二中硫化银的性能示意图;
[0046] 图7为本发明实施例二中碲化铋的性能示意图;
[0047] 图8为本发明实施例二中得到热电集流体结构的电池的性能示意图;
[0048] 图9为本发明实施例三中硒化铋的性能示意图;
[0049] 图10为本发明实施例三中硫化亚铜的性能示意图;
[0050] 图11为本发明实施例三中得到热电集流体结构的电池的性能示意图。
[0051] 图中,1、正极壳;2、负极壳;3、供电组件;4、P型热电正极;5、隔膜;6、N型热电负极;7、垫片;8、弹片;9、电解液。

具体实施方式

[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0053] 请参阅图1‑11,本发明实施例提供以下技术方案:
[0054] 实施例一、
[0055] 一种热电集流体结构的电池的制备方法,具体包括以下步骤:
[0056] 步骤一、制备P型热电材料:
[0057] 将Cu(NO3)2水溶液加入含有硒离子的乙二醇溶液中,反应温度80℃,持续加热搅拌时间3h,得到含有硒化亚铜的溶液,以5000r/min的转速离心10min,去除上清液后,用去离子水和无水乙醇交替清洗,继续以6000r/min的转速离心10min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以60℃的温度干燥24h,研磨后得到硒化亚铜粉体,即P型热电材料,性能图如附图4所示;
[0058] 制备N型热电材料:
[0059] 将AgNO3水溶液加入含有硒离子的乙二醇溶液中,反应温度50℃,持续加热搅拌时间2h,得到含有硒化银的溶液,以5000r/min的转速离心10min,去除上清液后,用去离子水和无水乙醇交替清洗,继续以6000r/min的转速离心10min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以50℃的温度干燥24h,研磨后得到硒化银粉体,即N型热电材料,性能图如附图3所示;
[0060] 步骤二、将P型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚偏二氟乙烯以0.15g:2mL:20mg比例进行混合搅拌12h,获取正极混合溶剂,再用移液枪将正极混合溶剂均匀涂覆在电池正极上,放入60℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取P型热电正极4;
[0061] 将N型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚偏二氟乙烯以0.15g:2mL:20mg比例进行混合搅拌12h,获取负极混合溶剂,再用移液枪将负极混合溶剂均匀涂覆在电池负极上,放入60℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取N型热电负极6;
[0062] 步骤三、按照正极壳1、P型热电正极4和聚乙烯隔膜的顺序依次放置,然后滴加ZnSO4电解液,再按照N型热电负极6、垫片7、弹片8和负极壳2的顺序放置,最后用机器以压力的强度500kPa,压力的时间20s,进行压紧处理,得到热电集流体结构的电池,性能图如附图5所示。
[0063] 实施例二、
[0064] 一种热电集流体结构的电池的制备方法,具体包括以下步骤:
[0065] 步骤一、制备P型热电材料:
[0066] 将含有Bi(NO3)5的乙二醇溶液加入含有碲离子的乙二醇溶液中,反应温度240℃,持续加热搅拌时间5h,得到含有Bi2Te的溶液,以8000r/min的转速离心15min,去除上清液后,用丙酮和无水乙醇交替清洗,继续以8000r/min的转速离心20min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以80℃的温度干燥24h,研磨后得到碲化铋粉体,即P型热电材料,性能图如附图7所示;
[0067] 制备N型热电材料:
[0068] 将AgNO3水溶液加入含有硫离子的乙二醇溶液中,反应温度90℃,持续加热搅拌时间15h,得到含有Ag2S的溶液,以6000r/min的转速离心5min,去除上清液后,用去离子水和无水乙醇交替清洗,继续以8000r/min的转速离心20min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以100℃的温度干燥12h,研磨后得到硫化银粉体,即N型热电材料,性能图如附图6所示;
[0069] 步骤二、将P型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚乙烯醇以0.18g:2mL:20mg比例进行混合搅拌10h,获取正极混合溶剂,再用移液枪将正极混合溶剂均匀涂覆在电池正极上,放入80℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取P型热电正极4;
[0070] 将N型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚乙烯醇以0.18g:2mL:20mg比例进行混合搅拌10h,获取负极混合溶剂,再用移液枪将负极混合溶剂均匀涂覆在电池负极上,放入80℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取N型热电负极6;
[0071] 步骤三、按照正极壳1、P型热电正极4和聚乙烯隔膜的顺序依次放置,然后滴加ZnSO4电解液,再按照N型热电负极6、垫片7、弹片8和负极壳2的顺序放置,最后用机器以压力的强度600kPa,压力的时间20s,进行压紧处理,得到热电集流体结构的电池,性能图如附图8所示。
[0072] 实施例三、
[0073] 一种热电集流体结构的电池的制备方法,具体包括以下步骤:
[0074] 步骤一、制备P型热电材料:
[0075] 将Cu(NO3)2水溶液加入含有硫离子的乙二醇溶液中,反应温度160℃,持续加热搅拌时间10h,得到含有硫化亚铜的溶液,以5000r/min的转速离心5min,去除上清液后,用去离子水和无水乙醇交替清洗,继续以8000r/min的转速离心20min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以60℃的温度干燥24h,研磨后得到硫化亚铜粉体,即P型热电材料,性能图如附图10所示;
[0076] 制备N型热电材料:
[0077] 将含有Bi(NO3)5的乙二醇溶液加入含有硒离子的乙二醇溶液中,反应温度280℃,持续加热搅拌时间6h,得到含有硒化铋的溶液,以6000r/min的转速离心5min,去除上清液后,用异丙醇和无水乙醇交替清洗,继续以8000r/min的转速离心5min,提取所得沉淀,放置于真空干燥箱中以140℃的温度干燥12h,研磨后得到硒化铋粉体,即N型热电材料,性能图如附图9所示;
[0078] 步骤二、将P型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚乙烯基吡咯烷酮以0.18g:2mL:18mg比例进行混合搅拌12h,获取正极混合溶剂,再用移液枪将正极混合溶剂均匀涂覆在电池正极上,放入120℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取P型热电正极4;
[0079] 将N型热电材料、N‑甲基吡咯烷和聚乙烯基吡咯烷酮以0.18g:2mL:18mg比例进行混合搅拌12h,获取负极混合溶剂,再用移液枪将负极混合溶剂均匀涂覆在电池负极上,放入120℃烘箱进行烘干处理,烘干后获取N型热电负极6;
[0080] 步骤三、按照正极壳1、P型热电正极4和聚乙烯隔膜的顺序依次放置,然后滴加三氟甲烷磺酸锌电解液,再按照N型热电负极6、垫片7、弹片8和负极壳2的顺序放置,最后用机器以压力的强度500kPa,压力的时间20s,进行压紧处理,得到热电集流体结构的电池,性能图如附图11所示。
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