CN103094599B - 一种锂离子液流电池及其反应器和电极盒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子液流电池及其反应器和电极盒，属于化学储能电池技术领域。本发明电极盒包括一盒体，该盒体的上、下表面设有隔膜窗，隔膜窗之间的距离大于500微米小于10毫米，盒体的两个相对的侧壁开有孔洞形成电极悬浮液的进、出口，盒体内空间构成反应腔室，该反应腔室内设有正极集流片或负极集流片。形状相同的正电极盒与负电极盒上下方向交替叠加固定在一起，正电极盒的正极悬浮液的进、出口与负电极盒的负极悬浮液的进、出口相互垂直，在叠加后的电极盒四周设有密封板构成相互独立的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道，从而形成锂离子液流电池反应器。本发明结构简单，制作方便，具有体积功率密度高和成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子液流电池反应器，属于化学储能电池技术领域。
背景技术
低成本、具有可扩展性的能源存储是发展可再生能源和改善新能源电网效率的关键。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和电解液的混合物，负极悬浮液池盛放负极复合材料颗粒和电解液的混合物。混合物在液泵推动下通过密封管道在悬浮液池和电池反应器之间流动。锂离子液流电池工作时用输液泵对悬浮液进行循环，悬浮液在液泵推动下通过密封管道在悬浮液池和电池反应器之间流动，流速可根据悬浮液浓度和环境温度进行调节。
电池反应器是锂离子液流电池的关键部件。目前的锂离子液流电池反应器的设计还停留在原理验证的水平。目前的电池反应器腔体结构设计的体积过大，另外，由于悬浮液的粘度较大，进入反应器内部流速容易不均匀，形成沟流及流动死角。这些问题严重影响了锂离子液流电池的整体性能和规模实施。
发明内容
本发明目的在于设计一种适合规模制备和规模应用的新型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：
所述锂离子液流电池反应器包括若干个电极盒，所述电极盒包括一盒体，该盒体的上、下表面设有隔膜窗，隔膜窗之间的距离大于500微米小于10毫米，盒体的两个相对的侧壁开有孔洞形成电极悬浮液的进、出口，盒体内空间构成反应腔室，该反应腔室内设有正极集流片或负极集流片。其中，含有正极集流片为正电极盒，含有负极集流片为负电极盒，形状相同的正电极盒与负电极盒上下方向叠加固定在一起，正电极盒的正极悬浮液的进、出口与负电极盒的负极悬浮液的进、出口相互垂直，在叠加后的电极盒四周设有密封板构成相互独立的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道。
所述隔膜窗由两片中间开窗孔的塑料板与尺寸大于窗孔并完全覆盖窗孔的多孔隔膜粘接固定构成，两个隔膜窗之间固定一正极集流片或负极集流片。所述正极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铝箔构成，铝箔厚度小于30微米，带有若干个正极极耳；所述负极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铜箔构成，铜箔厚度小于30微米，带有若干个负极极耳。所述正极集流片的正极极耳与正极极柱相连，所述正极极柱为导电的铝杆或表面镀铝的塑料杆，并固定在密封板上；所述负极集流片的负极极耳与负极极柱相连，所述负极极柱为导电的铜杆或表面镀铜的塑料杆，并固定在密封板上。所述密封板为电子不导电的绝缘材料。
所述正极集流片的正极极耳可以设置在正极悬浮液通道里面，电池反应器工作时正极极耳与正极悬浮液直接接触；同时，所述负极集流片的负极极耳也设置在负极悬浮液通道里面，电池反应器工作时负极极耳与负极悬浮液直接接触。或者，所述正极集流片的正极极耳设置在正极悬浮液通道外面，电池反应器工作时不与正极悬浮液直接接触；所述负极集流片的负极极耳也设置在负极悬浮液通道外面，电池反应器工作时不与负极悬浮液直接接触。
同时，锂离子液流电池反应器的外壳粘接固定一超声波发生装置的超声波发射头，所述的超声波发生装置由超声波发生器和相应的控制装置组成，所述的超声波发生器连接有超声波换能器，所述的超声波换能器连接有超声波发射头，超声波发生装置可以间歇或连续地产生超声波，防止反应器内部悬浮液流动死角和沟流现象的发生，有利于正负极悬浮液的流动，并增加电池反应腔体的有效体积，提高电池的功率密度。
电池反应器内部的相邻正极反应腔室与负极反应腔室之间有两层多孔隔膜，而且两层多孔隔膜之间的距离大于零。
本发明的优势有：
1)本发明的锂离子液流电池反应器制作工艺简单，所用材料十分普遍，成本较低。
2)本发明电池反应器能够使正负极悬浮液均匀地流入各个腔室，有效地提高电池系统的整体性能。
3)本发明电池反应器的正负电极片的间距小，可以大大提高电池的充放电性能。
4)本发明电池反应器具有的双隔膜结构大大提高了电池的安全性能，避免电池内部短路。
5)本发明电池反应器设置有超声波发生装置，可以防止悬浮液颗粒嵌入流动通道的死角而失去活性，防止沟流现象的出现。
附图说明
图1为正极集流片的结构示意图，图中：1--正极集流片；2--铝箔；3--正极极耳；4--塑料垫板；
图2为隔膜窗的结构示意图，图中：5--隔膜窗；6--多孔隔膜；7--中间开方孔的塑料板；
图3为正电极盒的结构示意图，其中图3(b)是图3(a)的A-A剖视图，图中：8--正电极盒；
图4为正电极盒与负电极盒的结构示意图，图中：8--正电极盒；9--负电极盒；10--铜箔；11--负极极耳；
图5为正电极盒与负电极盒垂直交叉叠加并粘接固定后的结构示意图；
图6为正电极盒、负电极盒及导流侧板粘接固定后的结构示意图，图中：12--导流侧板；
图7为锂离子液流电池反应器的结构示意图，图中：13--密封端板；14--正极极柱；15--负极极柱；16--固定螺杆；
图8为锂离子液流电池反应器的外观示意图，图中：17--密封盖板；18--超声波发生装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明电极盒的制备方法是：首先正极集流片1由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板4之间的单片铝箔2构成，铝箔厚度小于30微米，带有四个正极极耳3，如图1所示。
将多孔隔膜6置于两片厚度小于0.5毫米的中间开方孔的塑料板7之间并完全盖住方孔，再将多孔隔膜6的边缘与多孔隔膜两侧的塑料板焊接或胶粘，构成一个隔膜窗5，如图2所示。多孔隔膜6材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电的聚合物材料，也可以为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸或其它电子不导电的微孔无机非金属材料。或者，多孔隔膜6为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6的孔隙内为电子不导电的电解液。多孔隔膜6的作用是阻碍正负极颗粒材料的通过而允许含锂离子的电解液通过。
将正极集流片1胶粘塑料垫板4的两个侧边分别与隔膜窗5的两个侧边胶粘，构成两端开口的正电极盒8，如图3所示。
所述的正电极盒8由两片隔膜窗5及夹在两片隔膜窗5之间的正极集流片1的边缘胶粘，构成一个正极反应腔室，正极集流片1位于正极反应腔室的中间，正极集流片1胶粘塑料垫板4的两个侧边分别与隔膜窗5的两个侧边胶粘，构成两端开口的正电极盒8，如图4(b)所示。
类似地，所述的负电极盒9由两片隔膜窗及夹在两片隔膜窗之间的负极集流片的边缘胶粘，构成一个负极反应腔室，负极集流片位于负极反应腔室的中间，负极集流片胶粘塑料垫板的两个侧边分别与隔膜窗的两个侧边胶粘，构成两端开口的负电极盒9，如图4(a)所示。
本发明锂离子液流电池反应器，由正电极盒8、负电极盒9、导流密封板12、密封端板13、正极极柱14、负极极柱15、固定螺杆16、密封盖板17组成，其中，若干个正电极盒8与负电极盒9交叉叠加固定在一起，正电极盒8的开口方向与负电极盒9的开口方向垂直，形状相同的正电极盒8与负电极盒9上下方向叠加固定在一起，正电极盒8的正极悬浮液的进、出口与负电极盒9的负极悬浮液的进、出口相互垂直，如图4和图5所示。在叠加后的电极盒四周设有导流侧板12、密封端板13和密封盖板17构成相互独立的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道，密封盖板17上设置有供悬浮液进出的进液口或出液口，密封端板13上粘接固定有超声波发生装置的超声波发射头18，如图6、图7和图8所示。
其中，所述正极集流片1的正极极耳3与正极极柱14相连，所述正极极柱14为导电的铝杆或表面镀铝的塑料杆，并固定在密封端板13上；所述负极集流片的负极极耳11与负极极柱15相连，所述负极极柱15为导电的铜杆或表面镀铜的塑料杆，并固定在密封端板13上。
电池反应器工作原理：正极悬浮液通过密封盖板上的进液口进入正电极盒8的正极反应腔室，完成反应后由出液口通过密封管道返回正极悬浮液池。与此同时，负极悬浮液通过密封盖板17上的进液口进入负电极盒9的负极反应腔室，完成反应后由出液口通过密封管道返回负极悬浮液池。电池反应器内部的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道相互垂直，互不干扰。充放电时，正极反应腔室的正极悬浮液和相邻负极反应腔室的负极悬浮液的锂离子可以通过隔膜窗5微孔中的电解液以及两个隔膜窗之间的电解液进行交换。具体过程是，当电池放电时，负极反应腔室中的负极复合材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出，进入电解液，并通过隔膜窗到达正极反应腔室，嵌入到正极复合材料颗粒内部；与此同时，负极反应腔室中的负极复合材料颗粒内部的电子流入负极集流片的铜箔10，并通过负极集流片的负极极耳11流入负极极柱15，在电池的外部回路完成做功后流入正极极柱14，通过正极极耳3流入正极集流片1的铝箔2，最后嵌入正极反应腔室中的正极复合材料颗粒内部。电池充电的过程与之相反。在上述放电和充电过程中，正极反应腔室中的正极复合材料颗粒处于连续流动或间歇流动的状态，并通过颗粒与颗粒之间的接触以及颗粒与正极集流片1的铝箔2的表面接触，形成网络状的电子导电通道，负极反应腔室中的负极复合材料颗粒也与此类似。这样，在锂离子液流电池反应器中进行电池的充放电过程。与此同时，超声波发生装置可以间歇或连续地产生超声波，防止反应器内部悬浮液流动死角和沟流现象的发生，有利于正负极悬浮液的流动。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种锂离子液流电池反应器的电极盒，其特征在于：包括一盒体，该盒体的上、下表面设有隔膜窗，所述隔膜窗由两片中间开窗孔的塑料板与尺寸大于窗孔并完全覆盖窗孔的多孔隔膜粘接固定构成，盒体的两个相对的侧壁开有孔洞形成电极悬浮液的进、出口，盒体内空间构成反应腔室，该反应腔室内设有正极集流片或负极集流片，设有正极集流片的反应腔室为正极反应腔室，设有负极集流片的反应腔室为负极反应腔室，相邻正极反应腔室与负极反应腔室之间有两层多孔隔膜，而且两层多孔隔膜之间的距离大于零；其中，含有正极集流片为正电极盒，含有负极集流片为负电极盒，形状相同的正电极盒与负电极盒上下方向交替叠加固定在一起，所述正电极盒的正极悬浮液的进、出口与负电极盒的负极悬浮液的进、出口相互垂直，在叠加后的电极盒四周设有密封板构成相互独立的正极悬浮液通道和负极悬浮液通道。
2.如权利要求1所述的电极盒，其特征在于：上、下两个隔膜窗之间的距离大于500微米小于10毫米，两个隔膜窗之间固定一正极集流片或负极集流片，正极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铝箔构成，铝箔厚度小于30微米，带有若干个正极极耳；所述负极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铜箔构成，铜箔厚度小于30微米，带有若干个负极极耳。
3.一种锂离子液流电池反应器，其特征在于：包括若干个如权利要求1所述的电极盒，所述正、负极集流片分别连接正极极柱和负极极柱，所述正极极柱为导电的铝杆或表面镀铝的塑料杆；所述负极极柱为导电的铜杆或表面镀铜的塑料杆，正极极柱和负极极柱分别固定在密封板上。
4.根据权利要求3所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述隔膜窗由两片中间开窗孔的塑料板与尺寸大于窗孔并完全覆盖窗孔的多孔隔膜定粘接构成，两个隔膜窗之间固定一正极集流片或负极集流片，正极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铝箔构成，铝箔厚度小于30微米，带有若干个正极极耳；所述负极集流片由侧边胶粘或塑封固定在塑料垫板之间的单片铜箔构成，铜箔厚度小于30微米，带有若干个负极极耳。
5.根据权利要求4所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极集流片的正极极耳位于正极悬浮液通道内，电池反应器工作时正极极耳与正极悬浮液直接接触；所述负极集流片的负极极耳设置在负极悬浮液通道内，电池反应器工作时负极极耳与负极悬浮液直接接触。
6.根据权利要求4所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极集流片的正极极耳位于正极悬浮液通道外，电池反应器工作时不与正极悬浮液直接接触；所述负极集流片的负极极耳设置在负极悬浮液通道外，电池反应器工作时不与负极悬浮液直接接触。
7.根据权利要求4所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述塑料垫板材料为聚丙烯或聚偏氟乙烯，所述中间开窗孔的塑料板材料为聚乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯。
8.根据权利要求4所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述多孔隔膜材料为聚乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯，或者所述多孔隔膜为玻璃纤维无纺布或陶瓷纤维纸，或者所述多孔隔膜为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，所述多孔隔膜的孔径≤0.50微米，孔隙率≥30％。
9.一种锂离子液流电池，其特征在于，包括如权利要求3所述锂离子液流电池反应器，该反应器的外壳粘接固定一超声波发生装置的超声波发射头，所述的超声波发生装置由超声波发生器和相应的控制装置组成，所述的超声波发生器连接有超声波换能器，所述的超声波换能器连接有超声波发射头，超声波发生装置间歇或连续地产生超声波，超声波频率范围在20至40千赫兹之间。
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