CN102945978B - 一种锂离子液流电池反应器 - Google Patents

Abstract

一种锂离子液流电池反应器。该锂离子液流电池反应器包括惰性气体通道、正极悬浮液通道和负极悬浮液通道。正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间设有一层或者多层多孔隔膜构成电极悬浮液通道。惰性气体通道处于电极悬浮液通道外侧四周边缘，与电极悬浮液通道相互独立，惰性气体通道内惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。本发明为电池反应器提供了一个惰性气体保护氛围，防止了空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液直接接触，同时对电池反应器起到了散热冷却的作用，解决了目前锂离子液流电池反应器因没有设置气体保护装置而存在的安全隐患。

Description

一种锂离子液流电池反应器

技术领域

本发明涉及一种具有惰性气体保护装置的锂离子液流电池反应器。

背景技术

锂离子液流电池综合了锂离子电池和液流电池的优点，是一种能量密度大、成本较低的新型可充电电池。锂离子液流电池由正极悬浮液池、负极悬浮液池、电池反应器、液泵（或者其他动力系统）及密封管道组成。其中，正极悬浮液池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，负极悬浮液池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。锂离子液流电池工作时，电极悬浮液在液泵（或其他动力）的推动下通过密封管道在电极悬浮液池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（或者动力大小）进行调节。

锂离子液流电池的关键部件是电池反应器，包括正极悬浮液通道和负极悬浮液通道，在正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间设有电子不导电的多孔隔膜，充放电时，正极悬浮液通道内的正极悬浮液和相邻负极悬浮液通道内的负极悬浮液的锂离子可以通过多孔隔膜微孔中的电解液进行交换。具体过程是，当电池放电时，负极悬浮液通道内的负极复合材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出，进入电解液，并通过多孔隔膜到达正极悬浮液通道，嵌入到正极复合材料颗粒内部；与此同时，负极悬浮液通道中的负极复合材料颗粒内部的电子流入负极集流体，并通过负极极耳流入负极极柱，在电池的外部回路完成做功后流入正极极柱，通过正极极耳流入正极集流体，最后嵌入正极悬浮液通道中的正极复合材料颗粒内部。电池充电的过程与之相反。这样，在锂离子液流电池反应器中进行电池的充放电过程。

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悬浮液。由于目前的电池反应器没有设置惰性气体保护通道，电池反应器长期使用后，会出现气密性不好使得外界空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液直接接触，影响电池反应器的安全性能，这些问题在一定程度上影响了锂离子液流电池的整体性能。

发明内容

本发明目的在于克服目前电池反应器存在的气密性不足、散热性不好等缺点，提出一种锂离子液流电池反应器。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种锂离子液流电池反应器，包括惰性气体通道、正极悬浮液通道和负极悬浮液通道，正极悬浮液通道和负极悬浮液通道组成电极悬浮液通道。

所述正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间设有一层或者多层多孔隔膜，正极悬浮液通道、负极悬浮液通道与多孔隔膜的四周的边缘处粘接固定在一起，构成电极悬浮液通道。所述惰性气体通道设有进气口和出气口，惰性气体通道处于所述的电极悬浮液通道外侧四周边缘，与电极悬浮液通道相互独立，惰性气体通道内惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。惰性气体由惰性气体通道的进气口进入所述的锂离子液流电池反应器，在电极悬浮液通道边缘外侧四周流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围。所述惰性气体为氮气或氩气或氮氩混合气体。

所述的正极悬浮液通道由正极集流体和正极塑料垫板组成，在正极集流体的边缘处粘接固定正极塑料垫板，所述的负极悬浮液通道由负极集流体和负极塑料垫板组成，在负极集流体的边缘处粘接固定负极塑料垫板。在正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间设有一层或者多层多孔隔膜，所述多孔隔膜粘接固定在正极塑料垫板和负极塑料垫板之间，多孔隔膜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。

进一步，正极集流体和负极集流体为平板，或为具有直通沟槽的波形板，所述的波形板的剖面形状为正弦波或方波或三角波或梯形波或锯齿波或脉冲波，或者具有凸凹起伏的异型波。正极集流板采用铝板或表面镀铝的金属板，金属板的厚度为0.05~0.5毫米，负极集流板的材料为铜或镍或表面镀铜或表面镀镍的金属板，金属板的厚度为0.05~0.5毫米。所述的塑料垫板材料为不与电解液反应的电子不导电的有机材料。多孔隔膜的材料采用聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等的电子不导电的聚合物材料中的一种，或者采用玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸等的电子不导电的微孔无机非金属材料中的一种，或者，多孔隔膜的材料采用电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料。多孔隔膜的孔隙内为电子不导电的电解液。多孔隔膜的作用是阻碍正极颗粒和负极颗粒材料的通过而允许含锂离子的电解液通过。

本发明锂离子液流电池反应器关键在于，在电极悬浮液通道外侧四周设置惰性气体通道，电极悬浮液通道与惰性气体通道相互独立，且惰性气体通道内的惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。电池工作时，电极悬浮液通道处于惰性气体保护氛围中，防止了空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液直接接触，解决了目前电池反应器存在的安全隐患。

进一步，本发明锂离子液流电池反应器关键还在于所述惰性气体通道内通入惰性气体，能够对电池反应器起到散热冷却的作用。

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悬浮液，本发明所述的锂离子液流电池反应器电极悬浮液通道处于惰性气体保护氛围中，惰性气体通道与电极悬浮液通道相互独立，且惰性气体与电极悬浮液互不直接接触，防止了空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液直接接触，很好的解决了目前锂离子液流电池反应器因没有设置气体保护装置而存在的安全隐患，同时对电池反应器起到了散热冷却的作用，提高了电池的安全使用性能。

附图说明

图1为本发明实施例1电池反应器的结构示意图，图1b是图1a沿A-A′的剖视图；

图2为本发明实施例2电池反应器的结构示意图；

图3为本发明实施例2电池反应器的多个正极悬浮液通道、多孔隔膜和负极悬浮液通道相互叠加后的结构示意图；

图4为本发明实施例2电池反应器的安装密封盖板和进出液罩的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

图1所示为实施例1锂离子液流电池反应器1，本实施例包括惰性气体通道117、正极悬浮液通道113和负极悬浮液通道114。正极悬浮液通道113和负极悬浮液通道114组成电极悬浮液通道。多孔隔膜位于正极悬浮液通道113和负极悬浮液通道114之间，多孔隔膜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。

所述的惰性气体通道117处于电极悬浮液通道的四周边缘外侧，与电极悬浮液通道相互独立，且惰性气体通道内的惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。惰性气体由惰性气体通道117的进气口进入所述的锂离子液流电池反应器，在电极悬浮液通道边缘外侧四周流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围。

所述的正极悬浮液通道113由正极集流体101和正极塑料垫板102组成，正极集流体101与正极塑料垫板102的四周边缘处粘接固定，所述的负极悬浮液通道114由负极集流体106和负极塑料垫板104组成，负极集流体106与负极塑料垫板104的四周边缘处粘接固定。所述正极塑料垫板102和负极塑料垫板104为一框型板，正极集流体与负极集流体的尺寸相同，且正极集流体101的尺寸大于正极塑料垫板102，负极集流体106的尺寸大于负极塑料垫板104，并且正极集流体与负极集流体106分别完全覆盖正极塑料垫板102和负极塑料垫板104。在正极悬浮液通道113和负极悬浮液通道114之间设有一层多孔隔膜103，所述多孔隔膜103的尺寸与正极塑料垫板102和负极塑料垫板104的边缘尺寸相同，且多孔隔膜103粘接固定在正极塑料垫板和负极塑料垫板之间，多孔隔膜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。

所述惰性气体通道117设有进气口111和出气口112。在正极集流体与负极集流体之间的边缘处粘接固定框型塑料垫板105，框型塑料垫板105与电极悬浮液通道边缘外侧之间的间隙形成惰性气体通道117。所述惰性气体通道117的进气口111与出气口112分别位于所述框型塑料垫板105的两个对角处，惰性气体由进气口111进入惰性气体通道，在电极悬浮液通道的边缘外侧四周流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围，同时起到了冷却散热的作用，多余的气体由出气口112排出。

所述正极集流体101带有正极极耳115，在正极集流体101表面的不同位置设有正极进液口107和正极出液口108，且正极进液口107和正极出液口108均与正极悬浮液通道113相通；负极集流体106带有负极极耳116，在负极集流体106表面的不同位置设有负极进液口109和负极出液口110，且负极进液口109和负极出液口110均与负极悬浮液通道114相通。

电池工作时，正极悬浮液由正极进液口107流入正极悬浮液通道113，完成反应后由正极出液口108流出，负极悬浮液由负极进液口109流入负极悬浮液通道114，完成反应后由负极出液口110流出。与此同时，惰性气体由惰性气体通道117的进气口111进入所述的锂离子液流电池反应器，在电极悬浮液通道外侧四周流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围，解决了目前电池反应器由于没有设置气体保护装置而存在的安全隐患，同时对电池反应器起到了散热冷却的作用。惰性气体通道与电极悬浮液通道相互独立，且惰性气体通道内惰性气体与电极悬浮液通道内电极悬浮液互不直接接触。

实施例2

图2所示为实施例2锂离子液流电池反应器2，包括惰性气体通道、正极悬浮液通道36和负极悬浮液通道37，所述正极悬浮液通道36和负极悬浮液通道37组成电极悬浮液通道。其中，惰性气体通道处于电极悬浮液通道的四周外侧，与电极悬浮液通道相互独立，且惰性气体通道内的惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。惰性气体由惰性气体通道的进气口进入电池反应器，在电极悬浮液通道边缘外侧四周流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围。多孔隔膜位于正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间，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。

在本实施例中，惰性气体通道和电极悬浮液通道均位于一密闭气体保护箱内，所述密闭气体保护箱内部和电极悬浮液通道外侧之间的间隙构成惰性气体通道。所述的气体保护箱处于所述的电池反应器的最外层，气体保护箱的箱体顶部设有正极进液孔26、负极进液孔25、进气口23、出气口24、正极极柱孔21和负极极柱孔22，气体保护箱的箱体底部设有正极出液孔和负极出液孔。其中，正极进液孔26和正极出液孔25与正极悬浮液通道相连，负极进液孔和负极出液孔与负极悬浮液通道相连，进气口23与出气口24位于箱体顶部对角线位置。惰性气体由箱体顶部的所述进气口23进入所述的气体保护箱的箱体内部，在电极悬浮液通道边缘外侧四周的惰性气体通道流通，为电池反应器提供惰性气体保护氛围，多余气体由箱体顶部的所述出气口24排出。

如图3所示，正极悬浮液通道36由正极集流体31和固定在正极集流体31两侧的正极塑料垫板32组成，所述正极塑料垫板32粘接固定在正极集流体31带有正极极耳33的两侧边缘的上下两面。负极悬浮液通道37由负极集流体34和固定在负极集流体34两侧的负极塑料垫板38组成，所述负极塑料垫板38粘接固定在负极集流体34带有负极极耳35的两侧边缘的上下两面。所述正极塑料垫板32和负极塑料垫板38为平板状。

所述正极悬浮液通道36和负极悬浮液通道37按照正极极耳与负极极耳相互垂直的方向上下叠加放置，且正极悬浮液通道36和负极悬浮液通道37之间设有一层或者多层多孔隔膜，所述多孔隔膜粘接固定在正极塑料垫板32和负极塑料垫板38之间。多个所述的正极悬浮液通道36、多个多孔隔膜与多个负极悬浮液通道37依次间隔上下叠加在一起，形成多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道叠加的结构3，其中正极悬浮液通道内正极悬浮液流通方向与负极悬浮液通道内负极悬浮液流通方向相互垂直。

如图4所示，在多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道叠加的结构3的上下两面分别设有密封盖板49，在正极悬浮液通道、多孔隔膜、负极悬浮液通道叠加的结构3的四周设有正极进液罩41、正极出液罩42、负极进液罩43和负极出液罩44。其中，正极进液罩41和正极出液罩42位于正极悬浮液通道、多孔隔膜、负极悬浮液通道叠加的结构3相对的两个外侧面，正极进液罩上设有正极进液口45，正极出液罩上设有正极出液口，正极进液罩和正极出液罩均与正极悬浮液通道36相通。负极进液罩43和负极出液罩44位于正极悬浮液通道、多孔隔膜、负极悬浮液通道叠加的结构3相对的另外两个外侧面。负极进液罩43上设有负极进液口46，负极出液罩44上设有负极出液口，负极进液罩43和负极出液罩44均与负极悬浮液通道37相通。正极进液罩的进液口和正极出液罩的出液口分别与气体保护箱的正极进液孔和正极出液孔相连，负极进液罩的进液口和负极出液罩的出液口分别与气体保护箱的负极进液孔和负极出液孔相连。

进一步，所有同侧的所述正极极耳33由正极导杆47相连接，所有同侧的所述负极极耳35由负极导杆48相连接。所有的正极导杆47在气体保护箱内部由一根导线连接，所述的导线由气体保护箱的箱体顶部的正极极柱孔21引出，构成正极极柱，所有的负极导杆48在气体保护箱内部由另一根导线连接，所述的导线从气体保护箱箱体顶部的负极极柱孔22引出，构成负极极柱。

电池工作时，正极悬浮液由惰性气体保护箱顶部的正极进液口45流入正极悬浮液通道36，完成反应后由正极出液口流出，负极悬浮液由负极进液口46流入负极悬浮液通道37，完成反应后由负极出液口流出。与此同时，惰性气体由惰性气体保护箱顶部的进气口23进入电池反应器，多余的气体由出气口24排出，气体在电极悬浮液通道外侧四周流通，形成惰性气体通道，为电池反应器提供惰性气体保护氛围，解决了目前电池反应器由于没有设置气体保护装置而存在的安全隐患，同时对电池反应器起到了散热冷却的作用。惰性气体通道与电极悬浮液通道具有相互独立的流通通道，且惰性气体与电极悬浮液互不直接接触。

Claims (10)

1.一种锂离子液流电池反应器，其特征在于，所述电池反应器包括：惰性气体通道、正极悬浮液通道和负极悬浮液通道；所述的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道组成电极悬浮液通道；所述正极悬浮液通道和负极悬浮液通道之间设有多孔隔膜；所述的正极悬浮液通道、多孔隔膜和负极悬浮液通道三者在四周边缘处粘接固定在一起；所述惰性气体通道处于电极悬浮液通道外侧四周边缘，与电极悬浮液通道相互独立，惰性气体通道内惰性气体与电极悬浮液通道内的电极悬浮液互不直接接触。

2.根据权利要求1所述的电池反应器，其特征在于：所述的正极悬浮液通道(113)由正极集流体和正极塑料垫板组成，正极集流体与正极塑料垫板的四周的边缘处粘接固定；负极悬浮液通道(114)由负极集流体和负极塑料垫板组成，负极集流体与负极塑料垫板的四周的边缘处粘接固定；所述正极塑料垫板和负极塑料垫板为一框型板，正极集流体与负极集流体的尺寸相同，正极集流体的尺寸大于正极塑料垫板，负极集流体的尺寸大于负极塑料垫板，并且正极集流体与负极集流体分别完全覆盖正极塑料垫板和负极塑料垫板；在正极悬浮液通道(113)和负极悬浮液通道(114)之间的多孔隔膜的尺寸与正极塑料垫板和负极塑料垫板的边缘尺寸相同，且所述的多孔隔膜粘接固定在正极塑料垫板和负极塑料垫板之间。

3.根据权利要求1所述的电池反应器，其特征在于，所述正极悬浮液通道的正极集流体与负极悬浮液通道的负极集流体之间的边缘处粘接固定框型塑料垫板，该框型塑料垫板与电极悬浮液通道边缘外侧之间的间隙形成惰性气体通道(117)；惰性气体通道(117)的进气口与出气口分别位于该框型塑料垫板的两个对角处。

4.根据权利要求1所述的电池反应器，其特征在于，惰性气体通道和电极悬浮液通道均位于一密闭气体保护箱内，所述密闭气体保护箱内部和电极悬浮液通道外侧之间的间隙构成惰性气体通道；所述的气体保护箱处于所述的电池反应器的最外层，气体保护箱的箱体顶部设有正极进液孔、负极进液孔、进气口、出气口、正极极柱孔和负极极柱孔，气体保护箱的箱体底部设有正极出液孔和负极出液孔；所述的正极进液孔和正极出液孔与正极悬浮液通道相连，负极进液孔和负极出液孔与负极悬浮液通道相连；进气口与出气口位于箱体顶部对角线位置；所有的连接正极极耳的正极导杆在所述气体保护箱内部由一根导线相连并由正极极柱孔引出，构成正极极柱；所有的连接负极极耳的负极导杆在所述气体保护箱内部由另一根导线相连并由负极极柱孔引出，构成负极极柱。

5.根据权利要求4所述的电池反应器，其特征在于，所述正极悬浮液通道(36)由正极集流体和固定在正极集流体两侧的正极塑料垫板组成，所述正极塑料垫板粘接固定在正极集流体带有正极极耳的两侧边缘的上下两面；负极悬浮液通道(37)由负极集流体和固定在负极集流体两侧的负极塑料垫板组成，所述负极塑料垫板粘接固定在负极集流体带有负极极耳的两侧边缘的上下两面；所述正极塑料垫板和负极塑料垫板为平板状。

6.根据权利要求5所述的电池反应器，其特征在于，所有同侧的所述正极极耳由正极导杆相连接，所有同侧的所述负极极耳由负极导杆相连接，所有的正极导杆在气体保护箱内部由一根导线连接，所述的导线由气体保护箱的箱体顶部的正极极柱孔引出，构成正极极柱，所有的负极导杆在气体保护箱内部由另一根导线连接，所述的导线从气体保护箱箱体顶部的负极极柱孔引出，构成负极极柱。

7.根据权利要求5所述的电池反应器，其特征在于，所述正极悬浮液通道(36)和负极悬浮液通道(37)按照正极极耳与负极极耳相互垂直的方向上下叠加放置；正极悬浮液通道(36)和负极悬浮液通道(37)之间设有的多孔隔膜粘接固定在正极塑料垫板和负极塑料垫板之间；多个所述的正极悬浮液通道、多孔隔膜与负极悬浮液通道依次间隔上下叠加在一起，形成多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道叠加的结构。

8.根据权利要求7所述的电池反应器，其特征在于，所述的多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜、多个负极悬浮液通道叠加的结构的上下两面分别设有密封盖板；在多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道叠加的结构的四周设有正极进液罩、正极出液罩、负极进液罩和负极出液罩；所述的正极进液罩和正极出液罩位于多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道相互叠加的结构相对的两个外侧面，正极进液罩上设有正极进液口，正极出液罩上设有正极出液口，正极进液罩和正极出液罩均与正极悬浮液通道(36)相连；负极进液罩和负极出液罩位于多个正极悬浮液通道、多个多孔隔膜和多个负极悬浮液通道叠加的结构相对的另外两个外侧面，负极进液罩上设有负极进液口，负极出液罩上设有负极出液口，负极进液罩和负极出液罩均与负极悬浮液通道(37)相连；正极进液罩的进液口和正极出液罩的出液口分别与气体保护箱的正极进液孔和正极出液孔相连，负极进液罩的进液口和负极出液罩的出液口分别与气体保护箱的负极进液孔和负极出液孔相连。

9.根据权利要求2所述的电池反应器，其特征在于，所述正极集流体和负极集流体为平板，或为具有直通沟槽的波形板；所述的波形板的剖面形状为正弦波或方波或三角波或梯形波或锯齿波，或者具有凸凹起伏的异型波；正极集流板采用铝板或表面镀铝的金属板，金属板的厚度为0.05～0.5毫米；负极集流板的材料为铜或镍或表面镀铜或表面镀镍的金属板，金属板的厚度为0.05～0.5毫米；所述的塑料垫板材料为不与电解液反应的电子不导电的有机材料。

10.根据权利要求1所述的电池反应器，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气或氮氩混合气体。