CN102170008B - 非流动型钒素二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了非流动型钒素二次电池，其发挥钒电池环保和长寿命的特点，同时增加其使用的便利性。一组对应的电解质膜、正极室、负极室构成一个单电池，正极室包括正极、正极活性物质、正极框，正极包括致密正极和多孔正极，两者紧密接触，正极活性物质位于多孔正极的孔隙中，正极活性物质、多孔正极的混合体位于正极框内，且正极活性物质、多孔正极的混合体的两侧端面与正极框的两侧端面平齐，正极框的外侧端面和致密正极紧密相连、内侧端面和电解质膜相连；负极室包括负极、负极活性物质、负极框，负极包括致密负极和多孔负极，两者紧密接触，负极活性物质位于多孔负极的孔隙中，负极活性物质、多孔负极的混合体位于负极框内。

Description

非流动型钒素二次电池
技术领域
    本发明涉及二次电池结构技术领域，具体为非流动型钒素二次电池。
背景技术
专利号为US6475661的美国专利《Redox flow battery system and cell stack 》，介绍了一种全钒液流电池的结构：用电解质膜把电池分成负极室和正极室,在负极室和正极室中,以多孔碳毡作为电极反应的场所,负极电解液和正极电解液通过存放在电池的液流泵,把负极电解液储槽中的负极电解液以及正极储槽中的正极电解液,分别输入到所对应的负极室和正极室,进行如下所示的电极反应,同时,把反应后的负极电解液和正极电解液分别输送到原来的电解液储槽中。
其反应化学原理如下：
正极：VO2+ + H2O ?? VO2 + + 2H+ + e-             V=1.004v (vs NHE)      （1）
负极：V3+ + e- ?? V2+                                  V= -0.255v (vs NHE)     （2）
该专利为流动型全钒电池，其通过流动的氧化还原电解液，可以满足大规模储能的要求，与风能和太阳能等配套使用，可以提高发电系统的效率，改善电能的质量，虽然具有环保，循环使用寿命长，能够大规模储电的功能，但是要使该电池运行起来，必须具备液流泵和电解液储槽这样两个外围设备，在移动式场合或是便携式场合运用时，与常规电池比较而言，其缺乏便利性。  
发明内容
针对上述问题，本发明提供了非流动型钒素二次电池，其发挥钒电池环保和长寿命的特点，同时增加其使用的便利性。
非流动型钒素二次电池，其技术方案是这样的：其包括电解质膜，所述电解质膜的两侧分别为正极室、负极室，其特征在于：一组对应的所述电解质膜、正极室、负极室构成一个单电池，所述正极室包括正极、正极活性物质、正极框，所述正极包括致密正极和多孔正极，两者紧密接触，所述正极活性物质位于所述多孔正极的孔隙中，所述正极活性物质、多孔正极的混合体位于正极框内，且所述正极活性物质、多孔正极的混合体的两侧端面与所述正极框的两侧端面平齐，所述正极框的外侧端面和所述致密正极紧密相连、内侧端面和所述电解质膜相连；所述负极室包括负极、负极活性物质、负极框，所述负极包括致密负极和多孔负极，两者紧密接触，所述负极活性物质位于所述多孔负极的孔隙中，所述负极活性物质、多孔负极的混合体位于负极框内，且所述负极活性物质、多孔负极的混合体的两侧端面与所述负极框的两侧端面平齐，所述负极框的外侧端面和所述致密负极紧密相连、内侧端面和所述电解质膜相连；所述单电池的致密正极、致密负极外侧分别紧密连接有对应的正极集电极、负极集电极，所述正极集电极外侧紧固有正极端板，所述负极集电极外侧紧固有负极端板。
其进一步特征在于：两个及以上的所述单电池串联连接构成电堆，单个所述单电池的所述致密正极与相邻的所述单电池的所述致密负极共用同一片致密电极，该致密电极为双极板；位于两侧的所述单电池的外侧的致密正极、致密负极分别紧密连接有对应的正极集电极、负极集电极，所述正极集电极外侧紧固有正极端板，所述负极集电极外侧紧固有负极端板；
所述致密正极、正极框、电解质膜、负极框、致密负极的相互连接处之间均安装有密封垫片；
所述电解质膜具体为阴离子膜或阳离子膜，其材料具体为聚合物材料；
所述的正极活性物质具体为硫酸氧钒溶液时，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，其被吸收在所述多孔正极中；所述正极活性物质具体为粉末状的硫酸氧钒时，其被放置于所述多孔正极的孔隙中；所述的负极活性物质具体为硫酸钒溶液，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，其被吸收在所述多孔负极中；所述负极活性物质具体为是粉末状的硫酸钒，其被放置于多孔负极的孔隙中；
所述多孔正极可以为颗粒状正极，所述多孔负极可以为颗粒状负极；此时所述正极活性物质具体为粉末状的硫酸氧钒，其颗粒状正极均匀地混合在一起，构成电化学反应的场所；所述负极活性物质具体为是粉末状的硫酸钒，其和颗粒状负极均匀地混合在一起，构成电化学反应的场所；
所述正极框的外围平面尺寸和所述致密正极相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm~30mm；所述负极框的外围平面尺寸和所述致密负极相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm ~30mm；
所述致密正极、致密负极的材质具体为致密石墨、玻碳电极或者致密处理后的柔性石墨；
所述正极框、负极框的材质为较高化学稳定性的工程塑料；
所述密封垫片的平面形状和其对应的所述正极框或负极框相同，厚度范围0.02 mm ~1mm，材料为橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯或涂覆聚四氟乙烯的玻璃纤维。
采用本发明的结构后，省略了一般全钒液流电池所需要的两个液流泵和两个正负电解液的储槽，结构更为紧凑，在保留了全钒电池环保，长寿命的特点的同时，增加其使用的便利性。
附图说明
图1为本发明的单电池的组装结构示意图；
图2为本发明的具体实施例一的结构示意图；
图3为本发明的具体实施例二的结构示意图；
图4为本发明的正极框的结构示意图；
图5为本发明的负极框的结构示意图。
具体实施方式
单电池的组装结构，见图1、图4、图5，其包括电解质膜9，电解质膜9具体为阴离子膜或阳离子膜，其材料具体为聚合物材料，电解质膜9的两侧分别为正极室、负极室，正极室包括正极、正极活性物质5、正极框7，正极活性物质5主要为硫酸氧钒，化学式为VOSO4，正极包括致密正极3和多孔正极6，两者紧密接触，正极活性物质5位于多孔正极6的孔隙中，正极活性物质5、多孔正极6的混合体位于正极框7内，且正极活性物质5、多孔正极6的混合体的两侧端面与正极框7的两侧端面平齐，正极框7的外侧端面和致密正极3紧密相连、内侧端面和电解质膜9相连；负极室包括负极、负极活性物质12、负极框11，负极活性物质12主要为硫酸钒，化学式为V2(SO4)3，负极包括致密负极15和多孔负极13，两者紧密接触，负极活性物质12位于多孔负极13的孔隙中，负极活性物质12、多孔负极13的混合体位于负极框11内，且负极活性物质12、多孔负极13的混合体的两侧端面与负极框11的两侧端面平齐，负极框11的外侧端面和致密负极15紧密相连、内侧端面和电解质膜9相连。
致密正极3、正极框7、电解质膜9、负极框11、致密负极15的相互连接处之间均安装有密封垫片4、8、10、14；当硫酸氧钒为溶液时，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，被吸收在多孔正极6中，当硫酸氧钒为粉末状时，其被放置于多孔正极6的孔隙中；当硫酸钒为溶液时，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，被吸收在多孔负极13中，当硫酸钒为粉末状时，其被放置于多孔负极13的孔隙中；
多孔正极6可以为颗粒状正极，多孔负极13可以为颗粒状负极；此时硫酸氧钒为粉末状，粉末状的硫酸氧钒和颗粒状正极均匀地混合在一起，硫酸钒为粉末状，粉末状的硫酸钒和颗粒状负极均匀地混合在一起；
正极框7的外围平面尺寸和致密正极3相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm ~30mm；负极框11的外围平面尺寸和致密负极15相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm ~30mm；正极框7、负极框11的材质为较高化学稳定性的工程塑料；
致密正极3、致密负极15的材质具体为致密石墨、玻碳电极或者致密处理后的柔性石墨；
密封垫片4、8、10、14的平面形状和其对应的正极框7或负极框11相同，厚度范围0.02~1mm，材料为橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯或涂覆聚四氟乙烯的玻璃纤维。
其中电解质膜9作用如下：一是把正极室和负极室隔离，不相互混合，在充放电过程中，仅有阴离子或阳离子在膜的两侧迁移，构成离子通路；其作用二是使正极和负极之间有一个绝缘层，相互之间不会短路。
具体实施例一：
单个单电池结构的电池，见图2、图4、图5，单电池的致密正极3、致密负极15外侧分别紧密连接有对应的正极集电极2、负极集电极16，正极集电极2外侧紧固有正极端板1，负极集电极16外侧紧固有负极端板17，正极端板1、负极端板17通过螺栓18、螺母19紧固连接，正极集电极2、负极集电极16具体为导电铜板。
具体实施例二：
两个及以上单电池串联连接结构的电池，见图3、图4、图5，单个单电池的致密正极与相邻的另一个单电池的致密负极共用一片致密电极，该致密电极即为双极板20；位于两侧的单电池的外侧的致密正极3、致密负极15分别紧密连接有对应的正极集电极2、负极集电极16，正极集电极2外侧紧固有正极端板1，负极集电极16外侧紧固有负极端板17，正极端板1、负极端板17通过螺栓18、螺母19紧固连接，正极集电极2、负极集电极16具体为导电铜板。

Claims (10)

1.非流动型钒素二次电池，其包括电解质膜，所述电解质膜的两侧分别为正极室、负极室，其特征在于：一组对应的所述电解质膜、正极室、负极室构成一个单电池，所述正极室包括正极、正极活性物质、正极框，所述正极包括致密正极和多孔正极，两者紧密接触，所述正极活性物质位于所述多孔正极的孔隙中，所述正极活性物质、多孔正极的混合体位于正极框内，且所述正极活性物质、多孔正极的混合体的两侧端面与所述正极框的两侧端面平齐，所述正极框的外侧端面和所述致密正极紧密相连、内侧端面和所述电解质膜相连；所述负极室包括负极、负极活性物质、负极框，所述负极包括致密负极和多孔负极，两者紧密接触，所述负极活性物质位于所述多孔负极的孔隙中，所述负极活性物质、多孔负极的混合体位于负极框内，且所述负极活性物质、多孔负极的混合体的两侧端面与所述负极框的两侧端面平齐，所述负极框的外侧端面和所述致密负极紧密相连、内侧端面和所述电解质膜相连；所述单电池的致密正极、致密负极外侧分别紧密连接有对应的正极集电极、负极集电极，所述正极集电极外侧紧固有正极端板，所述负极集电极外侧紧固有负极端板。
2.根据权利要求1所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：两个以上的所述单电池串联连接构成电堆，单个所述单电池的所述致密正极与相邻的所述单电池的所述致密负极共用同一片致密电极，该致密电极为双极板；位于两侧的所述单电池的外侧的致密正极、致密负极分别紧密连接有对应的正极集电极、负极集电极，所述正极集电极外侧紧固有正极端板，所述负极集电极外侧紧固有负极端板。
3.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述致密正极、正极框、电解质膜、负极框、致密负极的相互连接处之间均安装有密封垫片。
4.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述电解质膜具体为阴离子膜或阳离子膜，其材料具体为聚合物材料。
5.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述的正极活性物质具体为硫酸氧钒溶液时，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，其被吸收在所述多孔正极中；或者所述正极活性物质具体为粉末状的硫酸氧钒时，其被放置于所述多孔正极的孔隙中；所述的负极活性物质具体为硫酸钒溶液，其浓度范围为2摩尔每升~10摩尔每升，其被吸收在所述多孔负极中；或者所述负极活性物质具体为粉末状的硫酸钒，其被放置于多孔负极的孔隙中。
6.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述多孔正极为颗粒状正极，所述多孔负极为颗粒状负极；此时所述正极活性物质具体为粉末状的硫酸氧钒，其颗粒状正极均匀地混合在一起，构成电化学反应的场所；所述负极活性物质具体为粉末状的硫酸钒，其和颗粒状负极均匀地混合在一起，构成电化学反应的场所。
7.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述正极框的外围平面尺寸和所述致密正极相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm~30mm；所述负极框的外围平面尺寸和所述致密负极相同，其框体宽度范围为1 mm ~30mm，其框体厚度范围为0.2 mm ~30mm。
8.根据权利要求1或2所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述致密正极、致密负极的材质具体为致密石墨、玻碳电极或者致密处理后的柔性石墨。
9.根据权利要求7所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述正极框、负极框的材质为工程塑料。
10.根据权利要求3所述的非流动型钒素二次电池，其特征在于：所述密封垫片的平面形状和其对应的所述正极框或负极框相同，厚度范围0.02 mm ~1mm，材料为橡胶、聚四氟乙烯或涂覆聚四氟乙烯的玻璃纤维。
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