CN102664280A - 一种无泵锂离子液流电池及其电极悬浮液的配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无泵锂离子液流电池，属于化学储能电池领域。该无泵锂离子液流电池包括若干个电池子系统、正极配液罐、负极配液罐、正极集液罐、负极集液罐、正极运输罐和负极运输罐，利用重力和惰性气体压力推动电极悬浮液循环流动，避免使用液泵。本发明操作简单，便于控制，降低了电池系统的机械损耗，提高了电池的整体效率和安全使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无泵锂离子液流电池，属于化学储能电池领域。
背景技术
电能的广泛应用被认为是二十世纪人类最伟大的成就之一。电力工业成为国家最重要的基础产业之一。现代电力系统正在向大电网、大机组的方向发展，新能源电网的发展也进入了一个新的阶段。低成本、具有可扩展性的能源存储是改善电网效率和继续发展可再生能源科技（风能、太阳能）的关键。电化学储能由于具有能量密度高、简单可靠等优点，在电能应用中占有举足轻重的地位。
锂离子液流电池是一种新型的储能电池，它结合了锂离子电池和液流电池各自的优点，是一种储能容量与功率彼此独立、寿命长、绿色环保的新型化学储能技术。目前设计的锂离子液流电池由正极储液罐、负极储液罐、电池反应器、液泵及密封管道组成。其中，正极储液罐盛放正极复合材料颗粒（如磷酸铁锂复合材料颗粒）和电解液的混合物，负极储液罐盛放负极复合材料颗粒（如钛酸锂复合材料颗粒）和电解液的混合物。参考图1所示，锂离子液流电池工作时，电极悬浮液在液泵（4）的推动下通过密封管道在储液罐和电池反应器之间流动，流速可根据电极悬浮液浓度和环境温度进行调节。其中，正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正极反应腔（1），完成反应后由正极出液口通过密封管道返回正极储液罐。与此同时，负极悬浮液由负极进液口进入电池反应器的负极反应腔（2），完成反应后由负极出液口通过密封管道返回负极储液罐。在正极反应腔（1）与负极反应腔（2）之间有电子不导电的多孔隔膜（3），将正极悬浮液中的正极活性材料颗粒和负极悬浮液中的负极活性材料颗粒相互隔开，避免正负极活性材料颗粒直接接触而导致电池内部的短路。正极反应腔（1）内的正极悬浮液和负极反应腔（2）内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜（3）中的电解液进行锂离子交换传输。
虽然锂离子液流电池在大规模储能应用中拥有诸多的优势，但是，由于电极悬浮液的粘度很大，使用液泵（4）对电极悬浮液进行循环时会产生较大的机械损耗，严重降低电池的能量效率。液泵还容易导致电极悬浮液的泄露或与大气中的水氧气体接触，造成安全隐患。此外，由于锂离子液流电池的电极悬浮液具有电子导电性，因此目前尚无完整的电池串并联系统，如何设计大容量高电压的锂离子液流电池是目前急需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种无泵锂离子液流电池，所述无泵锂离子液流电池利用重力和气体压力对电极悬浮液进行循环，避免使用液泵，大大减少了电池循环系统的机械损耗和安全隐患，提高了电池效率和安全使用性能。同时，通过阀门的巧妙设计与控制，有效地解决了电池串联中的短路难题。
本发明的目的是通过下述方式实现的：
一种无泵锂离子液流电池，如图2所示，包括：若干个电池子系统、正极配液罐（27）、负极配液罐（32）、正极集液罐（30）、负极集液罐（35）、正极运输罐（31）和负极运输罐（36）。上述正极配液罐（27）和负极配液罐（32）位于若干个电池子系统的上方，正极配液罐（27）的出液口（11）与各电池子系统的正极进液口（12）通过管道连接，管道上设有正极配液阀（28）；负极配液罐（32）的出液口（11）与各电池子系统的负极进液口（13）通过管道连接，管道上设有负极配液阀（33）。上述正极集液罐（30）和负极集液罐（35）位于电池子系统的下方，正极集液罐（30）的进液口（10）与各电池子系统的正极出液口（14）通过管道连接，管道上设有正极集液阀（29）；负极集液罐（35）的进液口（10）与各电池子系统的负极出液口（15）通过管道连接，管道上设有负极集液阀（34）。其中正极配液罐（27）、正极进液罐（16）、正极出液罐（20）、正极集液罐（30）中装有正极悬浮液和惰性气体，负极配液罐（32）、负极进液罐（21）、负极出液罐（24）、负极集液罐（35）中装有负极悬浮液和惰性气体，上述正极运输罐（31）可借助机械装置进行上下往复运动，用于正极集液罐（30）和正极配液罐（27）之间的正极悬浮液运输；负极运输罐（36）也可通过机械方式进行提升和下降，用于负极集液罐（35）和负极配液罐（32）之间的负极悬浮液运输。上述若干个电池子系统之间的电路组合方式为串联，在锂离子液流电池正常工作时，至多只有一个电池子系统与正极配液罐（27）、正极集液罐（30）、负极配液罐（32）或负极集液罐（35）连通。
其中电池子系统包括：若干个电池反应器（18）、正极进液罐（16）、负极进液罐（21）、正极出液罐（20）、负极出液罐（24）以及正极进液口（12）、正极出液口（14）、负极进液口（13）、负极出液口（15）。电池反应器（18）包含有正极反应腔（1）和负极反应腔（2）。上述正极进液罐（16）和负极进液罐（21）位于电池反应器（18）的上方；正极进液罐（16）的进液口（10）即为电池子系统的正极进液口（12），正极进液罐（16）的出液口与电池反应器（18）的正极反应腔（1）通过管道连接且中间设有正极进液阀（17）；负极进液罐（21）的进液口即为电池子系统的负极进液口（13），负极进液罐（21）的出液口与电池反应器（18）的负极反应腔（2）通过管道连接且中间设有负极进液阀（22）。上述正极出液罐（20）和负极出液罐（24）位于电池反应器（18）的下方；正极出液罐（20）的进液口与电池反应器（18）的正极反应腔（1）通过管道连接且中间设有正极出液阀（19），正极出液罐（20）的出液口即为电池子系统的正极出液口（14）；负极出液罐（24）的进液口与电池反应器（18）的负极反应腔（2）通过管道连接且中间设有负极出液阀（23），负极出液罐（24）的出液口即为电池子系统的负极出液口（15）。
上述电池子系统内部的若干个电池反应器（18）之间的电路组合方式为并联，上述电池子系统内部若干个电池反应器（18）并联方式包括3种：
①横向排列式电池反应器
若干个电池反应器（18）的正极反应腔（1）均通过密封管道分别与正极进液罐（16）的出液口（11）、正极出液罐（20）的进液口（10）连接，正极反应腔（1）与正极进液罐（16）之间均设有正极进液阀（17），正极反应腔（1）与正极出液罐（20）之间均设有正极出液阀（19）；若干个电池反应器（18）的负极反应腔（2）均通过密封管道分别与负极进液罐（21）的出液口（11）、负极出液罐（24）的进液口（10）连接，负极反应腔（2）与负极进液罐（21）之间均设有负极进液阀（22），负极反应腔（2）与负极出液罐（24）之间均设有负极出液阀（23）。
②纵向排列式电池反应器
若干个电池反应器（18）的位置由高到低排列；若干个电池反应器（18）的正极反应腔（1）和负极反应腔（2）均通过密封管道依次连接；正极反应腔（1）与正极反应腔（1）之间均设有正极流体阀（25），负极反应腔（2）与负极反应腔（2）之间均设有负极流体阀（26）；若干个电池反应器（18）中，位于顶端的正极反应腔（1）通过密封管道与正极进液罐（16）的出液口（11）连接且中间设有正极进液阀（17），位于顶端的负极反应腔（2）通过密封管道与负极进液罐（21）的出液口（11）连接且中间设有负极进液阀（22）；位于底端的正极反应腔（1）通过密封管道与正极出液罐（20）的进液口（10）连接且中间设有正极出液阀（19），位于底端的负极反应腔（2）通过密封管道与负极出液罐（24）的进液口（10）连接且中间设有负极出液阀（23）。
③阵列式电池反应器
若干个电池反应器（18）的管道连接方式为上述①和②两种管道连接方式的组合。
参考图3，上述正极配液罐（27）、负极配液罐（32）、正极集液罐（30）、负极集液罐（35）、正极运输罐（31）和负极运输罐（36）均包含位于罐体（5）底面的一个或多个进液口（10）以及位于罐体（5）侧面的一个或多个出液口（11）。在罐体（5）顶部设有惰性气体进气口（6）和排气口（7）。进气口（6）与储气系统（8）连接，排气口（7）与集气系统（9）连接；进气口（6）处设有稳压装置，排气口（7）处设有限压装置。稳压装置与限压装置可对罐体（5）内气压进行调节并保持恒定。集气系统（9）回收到的惰性气体经过净化和增压后可进入储气系统（8）循环利用。
上述所有阀体均为内部绝缘阀，内部绝缘阀开启时，阀体两侧电极悬浮液连通；所述内部绝缘阀关闭时，阀体两侧电极悬浮液断开不导电。
上述惰性气体为氮气或者氩气。
上述正极悬浮液为正极活性材料颗粒、导电剂与电解液的混合物，正极活性材料颗粒为磷酸亚铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钒氧化物、锂钛氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍锰钴氧化物以及其它可嵌锂化合物的一种或几种混合物；导电剂为碳黑、碳纤维、金属颗粒以及其他电子导电材料中的一种或几种混合物。
上述负极悬浮液为负极活性材料颗粒、导电剂与电解液的混合物，负极活性材料颗粒为可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钒氧化物、锂钛氧化物、碳材料的一种或几种混合物；导电剂为碳黑、碳纤维、金属颗粒以及其他电子导电材料中的一种或几种混合物。
上述密封管道的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电材料，或者所述密封管道为内衬有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电材料的不锈钢或其它合金材料。
上述无泵锂离子液流电池运行时，正极进液罐（16）气压与负极进液罐（21）气压保持一致，以及正极出液罐（20）与负极出液罐（24）气压也保持一致。
上述正极配液罐（27）和正极进液罐（16）之间可增加一个或多个正极过渡罐；负极配液罐（32）和负极进液罐（21）之间可增加一个或多个负极过渡罐；正极出液罐（20）和正极集液罐（30）之间可增加一个或多个正极过渡罐；负极出液罐（24）和负极集液罐（35）之间可增加一个或多个负极过渡罐。上述过渡罐的增加有利于无泵锂离子液流电池串并联的稳定。
无泵锂离子液流电池工作方法：基于不同高度电极悬浮液的势能差、不同罐体（5）中的气压差和管道阀门对无泵锂离子液流电池电极悬浮液的流动进行控制。实施过程中，各罐体（5）内的气压变化范围为0.5～2.5个大气压，各罐体（5）内的气压值随着罐体（5）位置由高到低的变化依次递减。
锂离子液流电池电极悬浮液分为正极悬浮液和负极悬浮液，正极悬浮液和负极悬浮液的流动控制包括以下过程：
a)注入电极悬浮液的控制
无泵锂离子液流电池系统运行前需先为系统注入电极悬浮液。对于正极悬浮液而言，首先，关闭正极进液阀（17），打开正极配液阀（28），利用稳压装置和限压装置将正极配液罐（27）和正极出液罐（20）的气压稳定在1～2个大气压范围内的一个恒定值，二者罐内气压值相同；其次，将装有正极悬浮液的正极运输罐（31）提升至正极配液罐（27）的上方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）内气压，使正极运输罐（31）内气压高出正极配液罐（27）内气压0～0.5个大气压并保持恒定；再次，通过密封管道连接正极运输罐（31）和正极配液罐（27），正极运输罐（31）内的正极悬浮液在气体压力和重力的作用下依次流入正极配液罐（27）、正极进液罐（16）；最后，当正极悬浮液含量达到正极进液罐（16）的容量上限时关闭正极配液阀（28），当正极悬浮液含量达到正极配液罐（27）的容量上限时，断开正极运输罐（31）与正极配液罐（27）的连接，完成系统注液。对于负极悬浮液而言，负极悬浮液的注液方法与上述正极悬浮液的注液方法一致，且正极进液罐（16）与负极进液罐（21）气压值相同并恒定。
b)电极悬浮液进入电池反应器的控制：
为系统注液完成后，进行电池反应器（18）进出液控制。利用稳压装置和限压装置调节正极出液罐（20）气压与负极出液罐（24）气压，使正极出液罐（20）气压与负极出液罐（24）气压值相同且低于正极进液罐（16）和负极进液罐（21）的气压0～0.5个大气压并保持恒定。同时开启正极进液阀（17）、负极进液阀（22）、正极出液阀（19）、负极出液阀（23）。正极悬浮液和负极悬浮液在重力和气体压力的作用下分别流入正极反应腔（1）与负极反应腔（2），参与电池反应后，分别流入正极出液罐（20）和负极出液罐（24）在此过程，必须保证正极悬浮液和负极悬浮液同时进入电池反应器（18）。
c)电极悬浮液收集的控制：
当正极出液罐（20）的正极悬浮液含量达到容量上限时，需向正极集液罐（30）集液。利用稳压装置和限压装置调节正极集液罐（30）内的气压，使正极集液罐（30）气压低于正极出液罐（20）气压0～0.5个大气压并保持恒定。打开正极出液阀（19），正极出液罐（20）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极集液罐（30），当正极悬浮液的含量达到正极出液罐（20）的容量下限或正极集液罐（30）的容量上限时，利用稳压装置和限压装置将正极集液罐（30）的气压调至与正极出液罐（20）气压一致，关闭正极集液阀（29），完成正极悬浮液集液。对于负极悬浮液而言，集液控制与正极悬浮液集流控制相同。
d)配液控制：
当正极进液罐（16）的正极悬浮液含量达到容量下限时，需向正极进液罐（16）配液。利用稳压装置和限压装置调节正极配液罐（27）内的气压，使正极配液罐（27）气压高出正极进液罐（16）气压0～0.5个大气压并保持恒定。打开正极配液阀（28），正极配液罐（27）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极进液罐（16），当正极进液罐（16）的正极悬浮液的容量达到罐内容量上限或正极配液罐（27）的正极悬浮液的容量达到罐内容量下限时，利用稳压装置和限压装置将正极配液罐（27）的气压调至与正极进液罐（16）气压一致，关闭正极配液阀（28），完成配液。对于负极悬浮液而言，配液控制步骤与正极悬浮液配液控制相同。
f)电极悬浮液的转移运输控制：
系统运行过程中，当正极集液罐（30）的正极悬浮液含量达到容量上限时，需对正极悬浮液进行转移。利用机械提升装置将正极运输罐（31）下降至正极集液罐（30）下方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）内的气压，使正极运输罐（31）气压低于正极集液罐（30）气压0～0.5个大气压并保持恒定。通过密封管道将正极运输罐（31）与正极集液罐（30）连接，正极集液罐（30）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极运输罐（31），直至正极集液罐（30）的正极悬浮液到达容量下限，或正极运输罐（31）的正极悬浮液容量达到容量上限时，将正极运输罐（31）与正极集液罐（30）断开。
当正极配液罐（27）的正极悬浮液含量达到容量下限时，利用机械提升装置将正极运输罐（31）提升至正极配液罐（27）上方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）气压，使正极运输罐（31）气压高出正极配液罐（27）气压0～0.5个大气压并保持恒定。通过密封管道将正极运输罐（31）与正极配液罐（27）连接，正极运输罐（31）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极配液罐（27），待正极运输罐（31）内的正极悬浮液完全流入正极配液罐（27）后或正极配液罐（27）的正极悬浮液容量达到容量上限时，将正极运输罐（31）与正极配液罐（27）断开。对于负极悬浮液而言，转移运输控制步骤与正极悬浮液转移运输控制步骤相同。
本发明的优势在于：
锂离子液流电池的电极悬浮液由有机电解液、电极活性材料和导电剂组成，是一种粘稠的非水系流体。以前的设计是利用液泵推动电极悬浮液通过密封管道在储液罐和电池反应器之间流动，这导致电池系统中较高的机械损耗，而且容易形成泄露，电池系统的整体效率和安全性能较低。本发明所述的无泵锂离子液流电池利用重力和惰性气体压力推动电极悬浮液循环流动，操作简单，便于控制，尤其是避免了使用液泵，极大地降低了电池系统的机械损耗，提高了电池的整体效率和安全使用性能。
锂离子液流电池的电极悬浮液具有电子导电性。因此，若直接对不同的电池反应器进行电路串联时，会造成电池反应器之间的短路。本发明所述的锂离子液流电池巧妙地使用绝缘阀门，避免了电池反应器串联时由电极悬浮液的电子导电性而引起的短路问题，有效解决了锂离子液流电池串联难题。
附图说明
图1为锂离子液流电池结构示意图；
图2为无泵锂离子液流电池示意图；
图3为罐体结构示意图；
图4为电池反应器横向排列式的电池子系统示意图；
图5为电池反应器纵向排列式的电池子系统示意图；
图6为电池反应器阵列式的电池子系统示意图；
图7为只包含一个电池反应器的电池子系统示意图；
图8为一种包含有过渡罐的无泵锂离子液流电池示意图。
上述图中：1—正极反应腔；2—负极反应腔；3—隔膜；4—液泵；5—罐体；6—进气口；7—排气口；8—储气系统；9—集气系统；10—进液口；11—出液口；12—正极进液口；13—负极进液口；14—正极出液口；15—负极出液口；16—正极进液罐；17—正极进液阀；18—电池反应器；19—正极出液阀；20—正极出液罐；21—负极进液罐；22—负极进液阀；23—负极出液阀；24—负极出液罐；25—正极流体阀；26—负极流体阀；27—正极配液罐；28—正极配液阀；29—正极集液阀；30—正极集液罐；31—正极运输罐；32—负极配液罐；33—负极配液阀；34—负极集液阀；35—负极集液罐；36—负极运输罐；37—正极配液过渡罐；38—正极配液过渡阀；39—正极集液过渡阀；40—正极集液过渡罐；41—负极配液过渡罐；42—负极配液过渡阀；43—负极集液过渡阀；44—负极集液过渡罐；A1、A2—电池子系统。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种无泵锂离子液流电池子系统。
一种无泵锂离子液流电池子系统，该电池子系统包括3个电池反应器（18）、1个正极进液罐（16）、1个正极出液罐（20）、1个负极进液罐（21）、1个负极出液罐（24）。3个电池反应器（18）之间的电路连接方式为并联。正极进液罐（16）、正极反应腔（1）、正极出液罐（20）的位置由高到低依次排列；负极进液罐（21）、负极反应腔（2）、负极出液罐（24）的位置由高到低依次排列。其中，3个电池反应器（18）的正极反应腔（1）均通过密封管道分别与正极进液罐（16）的出液口（11）和正极出液罐（20）的进液口（10）连接，各正极反应腔（1）与正极进液罐（16）之间均设有正极进液阀（17），各正极反应腔（1）与正极出液罐（20）之间均设有正极出液阀（19）；3个电池反应器（18）的负极反应腔（2）均通过密封管道分别与负极进液罐（21）的出液口（11）和负极出液罐（24）的进液口（10）连接，各负极反应腔（2）与负极进液罐（21）之间均设有负极进液阀（22），各负极反应腔（2）与负极出液罐（24）之间均设有负极出液阀（23）。
实施例2
本实施例提供一种无泵锂离子液流电池子系统。
一种无泵锂离子液流电池子系统，该电池子系统包括3个电池反应器（18）、1个正极进液罐（16）、1个正极出液罐（20）、1个负极进液罐（21）、1个负极出液罐（24）。3个电池反应器（18）之间的电路连接方式为并联。正极进液罐（16）、正极反应腔（1）、正极出液罐（20）的位置由高到低依次排列；负极进液罐（21）、负极反应腔（2）、负极出液罐（24）的位置由高到低依次排列。其中，3个电池反应器（18）位置由高到低排列，3个正极反应腔（1）通过密封管道依次连接，3个负极反应腔（2）通过密封管道依次连接。正极反应腔（1）与正极反应腔（1）之间设有正极流体阀（25），负极反应腔（2）与负极反应腔（2）之间设有负极流体阀（26）。位于顶端的正极反应腔（1）通过密封管道与正极进液罐（16）的出液口（11）连接，位于顶端的负极反应腔（2）通过密封管道与负极进液罐（21）的出液口（11）连接；位于底端的正极反应腔（1）通过密封管道与正极出液罐（20）的进液口（10）连接，位于底端的负极反应腔（2）通过密封管道与负极出液罐（24）的进液口（10）连接。顶端正极反应腔（1）与正极进液罐（16）之间设有正极进液阀（17），顶端负极反应腔（2）与负极进液罐（21）之间设有负极进液阀（22）；底端正极反应腔（1）与正极出液罐（20）之间设有正极出液阀（19），底端负极反应腔（2）与负极出液罐（24）之间设有负极出液阀（23）。
实施例3
本实施例提供一种无泵锂离子液流电池子系统。
一种无泵锂离子液流电池子系统，该电池单元包括9个电池反应器（18）、1个正极进液罐（16）、1个正极出液罐（20）、1个负极进液罐（21）、1个负极出液罐（24）。其中3个电池反应器（18）为一组，每一组中的3个电池反应器（18）均按照实施例2中的方式进行管道连接，3组电池反应器（18）按照实施例1中的方式进行管道连接。
实施例4
本实施例提供一种无泵锂离子液流电池子系统。
一种无泵锂离子液流电池子系统，该电池子系统包括3个电池反应器（18）、1个正极进液罐（16）、1个正极出液罐（20）、1个负极进液罐（21）、1个负极出液罐（24）。正极进液罐（16）、正极反应腔（1）、正极出液罐（20）的位置由高到低依次排列；负极进液罐（21）、负极反应腔（2）、负极出液罐（24）的位置由高到低依次排列。其中，电池反应器（18）的正极反应腔（1）通过密封管道分别与正极进液罐（16）的出液口（11）和正极出液罐（20）的进液口（10）连接，正极反应腔（1）与正极进液罐（16）之间设有正极进液阀（17），正极反应腔（1）与正极出液罐（20）之间设有正极出液阀（19）；电池反应器（18）的负极反应腔（2）通过密封管道分别与负极进液罐（21）的出液口（11）和负极出液罐（24）的进液口（10）连接，负极反应腔（2）与负极进液罐（21）之间设有负极进液阀（22），负极反应腔（2）与负极出液罐（24）之间设有负极出液阀（23）。
实施例5
本实施例提供一种包含有过渡罐的无泵锂离子液流电池
一种无泵锂离子液流电池，该电池包括1个正极配液罐（27）、1个正极配液过渡罐（37）、1个负极配液罐（32）、1个负极配液过渡罐（41）、1个正极集液罐（30）、1个正极集液过渡罐（40）、1个负极集液罐（35）、1个负极集液过渡罐（44）、1个正极运输罐（31）、1个负极运输罐（36）、2套机械提升装置、1个储气瓶、1个排气瓶以及1个实施例4中所阐述的电池子系统。正极配液罐（27）、正极配液过渡罐（37）、负极配液罐（32）和负极配液过渡罐（41）位于电池子系统的上方，正极集液罐（30）、正极集液过渡罐（40）、负极集液罐（35）和负极集液过渡罐（44）位于电池子系统的下方。正极配液罐（27）、正极配液过渡罐（37）、电池子系统的正极进液口（12）、电池子系统的正极出液口（14）、正极集液过渡罐（40）、正极集液罐（30）的位置由高到低排列，并通过密封管道依次连接；负极配液罐（32）、负极配液过渡罐（41）、电池子系统的负极进液口（13）、电池子系统的负极出液口（15）、负极集液过渡罐（44）、负极集液罐（35）的位置由高到低排列，并通过密封管道依次连接。
正极配液罐（27）与正极配液过渡罐（37）之间设有正极配液阀（28），正极配液过渡罐（37）与电池子系统的正极进液口（12）之间设有正极配液过渡阀（38），电池子系统的正极出液口（14）与正极集液过渡罐（40）之间设有正极集液过渡阀（39），正极集液过渡罐（40）与正极集液罐（30）之间设有正极集液阀（29）。
负极配液罐（32）与负极配液过渡罐（41）之间设有负极配液阀（33），负极配液过渡罐（41）与电池子系统的负极进液口（13）之间设有负极配液过渡阀（42），电池子系统的负极出液口（15）与负极集液过渡罐（44）之间设有负极集液过渡阀（43），负极集液过渡罐（44）与负极集液罐（35）之间设有负极集液阀（34）。正极运输罐（31）可借助机械装置进行上下往复运动，用于正极集液罐（30）和正极配液罐（27）之间的正极悬浮液运输；负极运输罐（36）可借助机械装置进行上下往复运动，用于负极集液罐（35）和负极配液罐（32）之间的负极悬浮液运输。
上述所述罐体（5）的进气口（6）与储气系统（8）连接，上述所述罐体（5）排气口（7）与集气系统（9）连接。
实施例6
本实施例提供一种无泵锂离子液流电池。
一种无泵锂离子液流电池，该电池包括1个正极配液罐（27）、1个负极配液罐（32）、1个正极集液罐（30）、1个负极集液罐（35）、1个正极运输罐（31）、1个负极运输罐（36）、2套机械提升装置、1个储气瓶、1个排气瓶以及2个实施例3中所阐述的电池子系统。正极配液罐（27）和负极配液罐（32）位于2个电池子系统的上方，正极集液罐（30）和负极集液罐（35）位于2个电池子系统的下方。2个电池子系统之间的电路连接方式为串联。2个电池子系统的正极进液口（12）均通过密封管道与正极配液罐（27）的出液口（11）连接；2个电池子系统的负极进液口（13）均通过密封管道与负极配液罐（32）的出液口（11）连接；2个电池子系统的正极出液口（14）均通过密封管道与正极集液罐（30）的进液口（10）连接；2个电池子系统的负极出液口（15）均通过密封管道与负极集液罐（35）的进液口（10）连接。正极配液罐（27）与各电池子系统之间均设有正极配液阀（28），负极配液罐（32）与各电池子系统之间均设有负极配液阀（33），正极集液罐（30）与各电池子系统之间均设有正极集液阀（29），负极集液罐（35）与各电池子系统之间均设有负极集液阀（34）。
正极运输罐（31）可借助机械装置进行上下往复运动，用于正极集液罐（30）和正极配液罐（27）之间的正极悬浮液运输；负极运输罐（36）可借助机械装置进行上下往复运动，用于负极集液罐（35）和负极配液罐（32）之间的负极悬浮液运输。
上述所述罐体（5）的进气口（6）与储气系统（8）连接，上述所述罐体（5）排气口（7）与集气系统（9）连接。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种无泵锂离子液流电池，其特征在于，包括若干个电池子系统、正极配液罐（27）、负极配液罐（32）、正极集液罐（30）、负极集液罐（35）、正极运输罐（31）和负极运输罐（36），上述正极配液罐（27）和负极配液罐（32）位于若干个电池子系统的上方，正极配液罐（27）的出液口（11）与各电池子系统的正极进液口（12）通过管道连接，管道上设有正极配液阀（28）；负极配液罐（32）的出液口（11）与各电池子系统的负极进液口（13）通过管道连接，管道上设有负极配液阀（33），上述正极集液罐（30）和负极集液罐（35）位于电池子系统的下方，正极集液罐（30）的进液口（10）与各电池子系统的正极出液口（14）通过管道连接，管道上设有正极集液阀（29）；负极集液罐（35）的进液口（10）与各电池子系统的负极出液口（15）通过管道连接，管道上设有负极集液阀（34），其中正极配液罐（27）、正极进液罐（16）、正极出液罐（20）、正极集液罐（30）中装有正极悬浮液和惰性气体，负极配液罐（32）、负极进液罐（21）、负极出液罐（24）、负极集液罐（35）中装有负极悬浮液和惰性气体，上述正极运输罐（31）上下往复间歇移动，用于正极集液罐（30）和正极配液罐（27）之间正极悬浮液的运输转移；上述负极运输罐（36）上下往复间歇移动，用于负极集液罐（35）和负极配液罐（32）之间负极悬浮液的运输转移，上述若干个电池子系统之间的电路组合方式为串联，在锂离子液流电池工作时，至多只有一个电池子系统与正极配液罐（27）、正极集液罐（30）、负极配液罐（32）或负极集液罐（35）连通。
2.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，所述电池子系统包括若干个电池反应器（18）、正极进液罐（16）、负极进液罐（21）、正极出液罐（20）、负极出液罐（24）以及正极进液口（12）、正极出液口（14）、负极进液口（13）、负极出液口（15），电池反应器（18）包含有正极反应腔（1）和负极反应腔（2），上述正极进液罐（16）和负极进液罐（21）位于电池反应器（18）的上方；正极进液罐（16）的进液口即为电池子系统的正极进液口（12），正极进液罐（16）的出液口与电池反应器（18）的正极反应腔（1）通过管道连接且中间设有正极进液阀（17）；负极进液罐（21）的进液口即为电池子系统的负极进液口（13），负极进液罐（21）的出液口与电池反应器（18）的负极反应腔（2）通过管道连接且中间设有负极进液阀（22），上述正极出液罐（20）和负极出液罐（24）位于电池反应器（18）的下方；正极出液罐（20）的进液口与电池反应器（18）的正极反应腔（1）通过管道连接且中间设有正极出液阀（19），正极出液罐（20）的出液口即为电池子系统的正极出液口（14）；负极出液罐（24）的进液口与电池反应器（18）的负极反应腔（2）通过管道连接且中间设有负极出液阀（23），负极出液罐（24）的出液口即为电池子系统的负极出液口（15）。
3.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，所述电池子系统内部的电池反应器（18）之间的电路组合方式为并联，上述电池反应器（18）的位置为由左到右横向排列，或由高到低纵向排列；或由多个横向排列和多个纵向排列组成的阵列。
4.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，所述正极配液罐（27）、负极配液罐（32）、正极集液罐（30）、负极集液罐（35）、正极运输罐（31）和负极运输罐（36），以及正极进液罐（16）、负极进液罐（21）、正极出液罐（20）和负极出液罐（24）均包含位于罐体（5）底面的一个或多个进液口（10）以及位于罐体（5）侧面的一个或多个出液口（11），在罐体（5）顶部设有惰性气体进气口（6）和排气口（7），进气口（6）与储气系统（8）连接，排气口（7）与集气系统（9）连接；进气口（6）处设有稳压装置，排气口（7）处设有限压装置，稳压装置与限压装置对罐体（5）内气压进行调节并保持恒定，集气系统（9）回收到的惰性气体经过净化和增压后可进入储气系统（8）循环利用。
5.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，上述所有阀体均为内部绝缘阀，内部绝缘阀开启时，阀体两侧电极悬浮液连通；所述内部绝缘阀关闭时，阀体两侧电极悬浮液断开不导电。
6.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，上述无泵锂离子液流电池运行时，正极进液罐（16）气压与负极进液罐（21）气压保持一致，以及正极出液罐（20）与负极出液罐（24）气压也保持一致。
7.如权利要求1所述的无泵锂离子液流电池，其特征在于，上述正极配液罐（27）和正极进液罐（16）之间增加一个或多个正极过渡罐；负极配液罐（32）和负极进液罐（21）之间增加一个或多个负极过渡罐；正极出液罐（20）和正极集液罐（30）之间增加一个或多个正极过渡罐；负极出液罐（24）和负极集液罐（35）之间增加一个或多个负极过渡罐。
8.一种权利要求2所述的无泵锂离子液流电池的电极悬浮液配置方法，其步骤包括：
a)注入电极悬浮液：具体对于正极悬浮液而言，首先，关闭正极进液阀（17），打开正极配液阀（28），利用稳压装置和限压装置将正极配液罐（27）和正极出液罐（20）的气压稳定在1～2个大气压范围内的一个恒定值，二者罐内气压值相同；接着，将装有正极悬浮液的正极运输罐（31）提升至正极配液罐（27）的上方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）内气压，使正极运输罐（31）内气压高出正极配液罐（27）内气压0～0.5个大气压并保持恒定；再次，通过密封管道连接正极运输罐（31）和正极配液罐（27），正极运输罐（31）内的正极悬浮液在气体压力和重力的作用下依次流入正极配液罐（27）、正极进液罐（16）；最后，当正极进液罐（16）的正极悬浮液含量达到罐内容量上限时关闭正极配液阀（28），当正极配液罐（27）的正极悬浮液含量达到罐内容量上限时，断开正极运输罐（31）与正极配液罐（27）的连接，完成系统注液；对于负极悬浮液而言，负极悬浮液的注液方法与上述正极悬浮液的注液方法一致，且正极进液罐（16）与负极进液罐（21）气压值相同并恒定；
b)电极悬浮液进入电池反应器（18）参与电池反应：利用稳压装置和限压装置调节正极出液罐（20）气压与负极出液罐（24）气压，使正极出液罐（20）气压与负极出液罐（24）气压值相同且低于正极进液罐（16）和负极进液罐（21）的气压0～0.5个大气压并保持恒定；同时开启正极进液阀（17）、负极进液阀（22）、正极出液阀（19）、负极出液阀（23）。正极悬浮液和负极悬浮液在重力和气体压力的作用下分别流入正极反应腔（1）与负极反应腔（2），参与电池反应后，分别流入正极出液罐（20）和负极出液罐（24），在此过程，保证正极悬浮液和负极悬浮液同时进入电池反应器（18）；
c)反应后的电极悬浮液的收集：当正极出液罐（20）的正极悬浮液含量达到容量上限时，需向正极集液罐（30）集液，利用稳压装置和限压装置调节正极集液罐（30）内的气压，使正极集液罐（30）气压低于正极出液罐（20）气压0～0.5个大气压并保持恒定，打开正极出液阀（19），正极出液罐（20）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极集液罐（30），当正极出液罐（20）的正极悬浮液的含量达到罐内容量下限或正极集液罐（30）的正极悬浮液的含量达到罐内容量上限时，利用稳压装置和限压装置将正极集液罐（30）的气压调至与正极出液罐（20）气压一致，关闭正极集液阀（29），完成正极悬浮液收集；对于负极悬浮液而言，收集控制步骤与上述正极悬浮液收集控制步骤一致。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当正极进液罐（16）的正极悬浮液含量达到容量下限时，需向正极进液罐（16）配液，具体方法为：利用稳压装置和限压装置调节正极配液罐（27）内的气压，使正极配液罐（27）气压高出正极进液罐（16）气压0～0.5个大气压并保持恒定。打开正极配液阀（28），正极配液罐（27）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极进液罐（16），当正极进液罐（16）的正极悬浮液的容量达到罐内容量上限或正极配液罐（27）的正极悬浮液的容量达到罐内容量下限时，利用稳压装置和限压装置将正极配液罐（27）的气压调至与正极进液罐（16）气压一致，关闭正极配液阀（28），完成配液；对于负极悬浮液而言，配置控制步骤与上述正极悬浮液配置控制一致。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当正极集液罐（30）的正极悬浮液含量达到容量上限时，或者，当正极配液罐（27）的正极悬浮液含量达到容量下限时，需对正极悬浮液进行转移与运输，具体方法是：当正极集液罐（30）的正极悬浮液含量达到容量上限时，利用机械提升装置将正极运输罐（31）下降至正极集液罐（30）下方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）内的气压，使正极运输罐（31）气压低于正极集液罐（30）气压0～0.5个大气压并保持恒定。通过密封管道将正极运输罐（31）与正极集液罐（30）连接，正极集液罐（30）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极运输罐（31），直至正极集液罐（30）的正极悬浮液到达容量下限，或直至正极运输罐（31）的正极悬浮液容量达到容量上限时，将正极运输罐（31）与正极集液罐（30）断开；当正极配液罐（27）的正极悬浮液含量达到容量下限时，利用机械提升装置将正极运输罐（31）提升至正极配液罐（27）上方，利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐（31）气压，使正极运输罐（31）气压高出正极配液罐（27）气压0～0.5个大气压并保持恒定，通过密封管道将正极运输罐（31）与正极配液罐（27）连接，正极运输罐（31）内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正极配液罐（27），待正极运输罐（31）内的正极悬浮液完全流入正极配液罐（27）后或正极配液罐（27）的正极悬浮液容量达到容量上限时，将正极运输罐（31）与正极配液罐（27）断开；对于负极悬浮液而言，转移与运输控制步骤与上述正极悬浮液转移与运输控制步骤一致。
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