CN105489912A - 一种锂离子液流电池反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体,导流体为在中空“回”形框内平行设置若干根流道脊组成的，流道脊将导流体分隔成若干个相互平行的导流道，导流体边框对应每个导流道两端均设有进液口和出液口，相邻正极导流体或相邻负极导流体之间通过连通结构同侧串联连通。本发明锂离子液流电池反应器通过给每个电池反应腔设置一组进液口和出液口以及电极悬浮液连通结构，使得电极悬浮液不用通过分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，取消分流腔和汇流腔，从而有效地提高电池单元之间的一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
Description
技术领域
本发明属于化学储能电池技术，具体涉及一种锂离子液流电池反应器。
背景技术
锂离子液流电池是最新发展起来的一种电化学电池技术，它综合了锂离子电池和液流电池的优点，是一种输出功率和储能容量彼此独立，且能量密度大、成本较低的新型二次电池。它不仅可以作为太阳能、风能发电系统的配套储能设备，还可以作为电网的调峰装置，提高输电质量，保障电网安全。利用化学电源进行蓄电储能，可以不受地理条件限制，有望实现大规模储能，具有重大社会经济价值。
之前的锂离子液流电池反应器中，电极悬浮液进入反应器和流出反应器需要经过密封盖板，如中国专利CN103094599A；或者在电池模块四周设置转向罩以便电极悬浮液流入电极反应腔，如中国专利CN102931427A；或者在电池反应器周边采用进液腔和出液腔，如中国专利201410210138.4。
总的来说，之前的锂离子液流电池反应器都是通过分流腔将电极悬浮液输入分配到多个电池反应腔内，每个电池反应腔设置有多个平行的导流道，电极悬浮液流过平行的导流道，再通过汇流腔汇流后输出。这种使用分流腔将电极悬浮液分配到多个电池反应腔内反应后再通过汇流腔汇流，往往会导致各电池反应腔内的电极悬浮液的流量不一致，容易造成电池反应器内各电池单元的过充或过放，恶化电池性能。
发明内容
为解决锂离子液流电池存在的上述问题，本发明提供一种锂离子液流电池反应器，该电池反应器通过给每个电池反应腔设置一组进液口和出液口，使得电极悬浮液不用通过上述分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，从而有效地提高电池单元之间的一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
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，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体；所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，若干个双极性隔膜按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层之间的间隙空间构成正极反应腔，相邻两个相对的负极集流层之间的间隙空间构成负极反应腔；在正极反应腔内放置有正极导流体，负极反应腔内放置有负极导流体，若干个双极性隔膜、正极导流体、负极导流体相互交替上下叠加构成电池单元组，其特征在于：
所述导流体由中空“回”形框内平行设置若干根流道脊组成，所述流道脊的高度小于反应腔的高度，流道脊将导流体分隔成若干个相互平行的导流道，导流体边框在对应每个导流道两端的位置均设有进液口和出液口；
相邻正极导流体中，上一层正极导流体的正极出液口与相邻下一层正极导流体的正极进液口通过连通结构同侧串联连通；相邻负极导流体中，上一层负极导流体的负极出液口与相邻下一层负极导流体的负极进液口通过连通结构同侧串联连通；正极导流体的导流道与负极导流体的导流道相互垂直。
通过给每个导流道设置进液口和出液口，提高了电极悬浮液在电池反应腔内的流动均匀性，相邻正极导流体的导流道之间串联连通，相邻负极导流体的导流道之间串联连通，使得电极悬浮液不用通过上述分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
根据本发明，所述连通结构为电极悬浮液流通孔，即在正极导流体边框设置有负极悬浮液流通孔，使得上一层负极导流体的负极出液口与相邻下一层负极导流体的负极进液口通过中间正极导流体边框的负极悬浮液流通孔同侧串联连通；在负极导流体边框设置有正极悬浮液流通孔，使得上一层正极导流体的正极出液口与相邻下一层正极导流体的正极进液口通过中间负极导流体边框的正极悬浮液流通孔同侧串联连通。进一步，在电极悬浮液流通孔的内侧设置有中空绝缘密封管，避免电极悬浮液流过流通孔时液体渗漏。
或者，所述连通结构为设有导流槽的连通罩，其中正极连通罩的导流槽一一对应连接正极导流体的正极出液口与相邻下一层的正极导流体的正极进液口，负极连通罩的导流槽一一连接负极导流体的负极出液口与相邻下一层的负极导流体的负极进液口。
本发明中，若干个所述双极性隔膜、正极导流体、负极导流体相互上下交替叠加构成电池单元组，正极悬浮液由第一层正极导流体的正极进液口流入，正极出液口流出，按照串联方式依次流过每一层正极导流体，同时，负极悬浮液由第一层负极导流体的负极进液口流入，负极出液口流出，按照串联方式依次流过每一层负极导流体。
所述导流体为在具有中空结构的“回”形边框内平行设置若干根流道脊组成的，材料为电子绝缘材料，优选为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种，所述流道脊将导流体分隔成若干个平行的导流道。在导流体边框对应每个导流道位置一一对应设置进液口和出液口，电极悬浮液通过进液口进入导流道内，由出液口流出。
所述流道脊材料为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等，每个流道脊上下两侧设置有若干个凸台，所述的凸台为半球形状、圆柱体状、梯形体状、圆台等规则几何体或各种异型不规则几何体；流道脊上的凸台为柔性绝缘材料，具有一定的弹性，正极导流体流道脊上的凸台与负极导流体上流道脊的凸台一一对应，流道脊与凸台之间采用激光焊接、热熔焊接、粘接等方式固定，或者一体化加工制作。
所述正极反应腔高度为1mm～20mm，正极流道脊高度为0.5mm～19mm，宽度为0.5mm～10mm，正极流道脊间距为2mm-100mm，正极流道脊两侧的正极凸台高度为0.5mm-5mm，优选为1mm。
所述负极反应腔高度为0.5mm～15mm，负极流道脊高度为0.5mm～14mm，宽度为0.5mm～10mm，负极流道脊间距为2mm-100mm，负极流道脊两侧的负极凸台高度为0.5mm-5mm，优选为1mm。
所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成。其中，隔离层为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.005mm～1mm。正极集流层和负极集流层都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度都为0.01μm～1000μm，优选为具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为30％～99％，孔径范围10nm～2mm。正极集流层和负极集流层放置于隔离层的两侧，并与隔离层紧密接触，绝缘边框通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定等方式与正极集流层、隔离层和负极集流层的边缘复合在一起。
进一步，所述的隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层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。进一步，所述的电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料。
进一步，所述的正极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述正极集流层为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，所述正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物。或者，所述正极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、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。或者，所述正极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
进一步，所述的负极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述负极集流层为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜，优选为镀镍铜。或者，所述负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物。或者，所述负极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、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。或者，所述负极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
进一步，所述双极性隔膜的绝缘边框两面边缘设有密封圈，所述密封圈呈矩形，通过与导流体紧压，形成对电池反应腔的密封，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
所述的双极性隔膜的正极集流层与正极流道脊的凸台紧密接触；所述双极性隔膜的负极集流层与负极流道脊的凸台紧密接触。所述正极导流体流道脊上的正极凸台与负极导流体上流道脊的负极凸台一一对应，通过凸台相互间的弹性挤压，对夹在正极导流体和负极导流体之间的双极性隔膜具有支撑作用。
进一步，本发明锂离子液流电池反应器还包括分流板和汇流板。其中分流板位于电池单元组的上面，汇流板位于电池单元组的下面。
所述分流板和汇流板均设置有正极流道和负极流道。所述流道包括主流道和从主流道分支出的两条以上的分流道，分流道数与每层导流体的进液口数量一致，分流板的主流道与电池反应器的总进液口连接，分流板的分流道与相邻导流体的进液口连通；汇流板的主流道与电池反应器的总出液口连接，汇流板的分流道与相邻导流体的出液口连通。
进一步，在分流板上，正极主流道与正极悬浮液总进液口连接，正极分流道与相邻正极导流体的进液口一一对应连通；负极主流道与负极悬浮液总进液口连接，负极分流道与相邻负极导流体的进液口一一对应连通。
进一步，在汇流板上，正极主流道与正极悬浮液总出液口连接，正极分流道与相邻正极导流体的出液口一一对应连通；负极主流道与负极悬浮液总出液口连接，负极分流道与相邻负极导流体的出液口一一对应连通。
本发明的锂离子液流电池反应器设置气体保护装置，所述气体保护装置处于电池反应器的电池反应腔和电极悬浮液通道外侧四周边缘，使整个电池反应器处于惰性气体氛围保护中，这样能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。惰性气体包括氮气或氩气或氮氩混合气体，气压在0.1～0.5MPa之间。
或者，本发明锂离子液流电池反应器浸没在阻燃电解液、绝缘油、或者石蜡等液体保护中，所述液体能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。
本发明的技术优势体现在：
1)本发明锂离子液流电池反应器通过给每个电池反应腔设置一组进液口和出液口以及电极悬浮液连通结构，使得电极悬浮液不用通过分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，取消分流腔和汇流腔，从而有效地提高电池单元之间的一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构；
2)本发明的正极导流道和负极导流道导流方向相互垂直，正极流道脊上的凸台和负极流道脊上的凸台一一对应，对双极性隔膜起到柔性支撑作用，能够很好的解决电池内结构形变的问题，同时相邻流道内的电极悬浮液能够相互流通，避免了电池反应腔内“死区”的出现，使电池反应均匀充分，降低多孔电极表面的锂枝晶的生成概率，提高电池效率和使用寿命；
3)锂离子液流电池反应器采用气体保护或者阻燃电解液保护方法，保证了整个电池反应器的气密性和散热性，同时隔绝空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液接触，提高了电池的安全性。
附图说明
图1锂离子液流电池反应器原理图，其中，101—正极反应腔；102—负极反应腔；103—隔离层；104—正极集流层；105—负极集流层；106—正极悬浮液；107—负极悬浮液；
图2锂离子液流电池双极性隔膜结构示意图，其中，图2(a)为双极性隔膜的组装示意图，图2(b)为双极性隔膜整体结构示意图；201—双极性隔膜；202—绝缘边框；
图3双极性隔膜正、负集流层的实施例结构示意图，其中，图3(a)交织金属线制成的菱形网格集流层，图3(b)多孔结构的集流层，301—电极端子；302—集流层；
图4锂离子液流电池导流体结构示意图，其中，401—导流体；402—进液口；403—出液口；404—过流道；405—导流道；406—流道脊；407—凸台；
图5锂离子液流电池单元结构示意图，其中，301a—正极端子；301b—负极端子；401a—正极导流体；401b—负极导流体；405a—正极导流道；406a—正极流道脊；407a—正极凸台；405b—负极导流道；406b—负极流道脊；407b—负极凸台；501—电池单元；
图6锂离子液流电池正极悬浮液流动的截面结构示意图，其中，402a—正极悬浮液进液口；403a—正极悬浮液出液口；404a—正极悬浮液流通孔；601—电池单元组；602—正极悬浮液流动方向；
图7锂离子液流电池分流板结构示意图，其中，701—分流板；702a—正极流道；702b—负极流道；703a—正极总流道；703b—负极总流道；704a—正极分流道；704b—负极分流道；
图8锂离子液流电池反应器组装结构示意图，其中，801—上盖板；802—下盖板；803a—正极悬浮液总进液口；804a—负极悬浮液总进液口；803b—正极悬浮液总出液口；804a—负极悬浮液总出液口；805—汇流板；
图9锂离子液流电池反应器结构示意图，其中，901—锂离子液流电池反应器；902—正极集流端子；903—负极集流端子。
具体实施方式
下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。
如图1所示，新型锂离子液流电池反应器，主要包括正极反应腔101、负极反应腔102；隔离层103、正极集流层104、负极集流层105、正极悬浮液106、负极悬浮液107。其中，隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成双极性隔膜201，其结构如图2所示。双极性隔膜201按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层104之间的间隙空间构成正极反应腔101，相邻两个相对的负极集流层105之间的间隙空间构成负极反应腔102。双极性隔膜201两侧的集流层呈交织金属线制成的菱形网格结构，或者为多孔结构，如图3所示，并且，正极端子301a和负极端子301b分别从正极集流层104和负极集流层105引出。
在正极反应腔101内放置有正极导流体401a，负极反应腔102内放置有负极导流体401b。导流体结构如图4所示，导流体401为在中空“回”形框内平行设置若干根流道脊406组成，流道脊406将导流体401分隔成若干个相互平行的导流道405，导流体401边框对应每个导流道405位置均设有进液口402和出液口403，流道脊406上设置有若干个凸台407。设置在正极流道脊406a上的正极凸台407a和设置在负极流道脊406b上的负极凸台407b一一对应，对夹在正极导流体401a和负极导流体401b之间的双极性隔膜201具有支撑作用。
一个正极导流体401a、一个双极性隔膜201、一个负极导流体401b组成一个电池单元501，若干个电池单元501上下叠加组成电池单元组601，即，若干个双极性隔膜201、正极导流体401a、负极导流体401b相互交替上下叠加构成电池单元组601，每个电池单元501的正极端子301a由正极集流层104引出，负极端子301b由负极集流层105引出。
图6为正极悬浮液在电池单元组601内流动的截面图，正极悬浮液106由正极进液口402a进入正极导流体401a的正极导流道405a内，由正极出液口403a流出，通过负极导流体401b上的正极悬浮液流通口404a流入到相邻的下一层正极导流体401a的正极导流道内405a。这样，相邻正极导流体中401a，上一层正极导流体401a的正极出液口403a与相邻下一层正极导流体401a的正极进液口402a通过连通结构同侧串联连通。同样，负极悬浮液107流动方法与正极悬浮液106流动方法一致。正极悬浮液106与负极悬浮液107流动方向相互垂直。
图7为锂离子液流电池分流板结构示意图，分流板701设置有正极流道702a和负极流道702b，正极流道702a包括正极主流道703a和正极分流道704a，负极流道702b包括负极主流道703b和负极分流道704b，正极主流道703a与正极悬浮液总进液口连接，正极分流道704a与下边相邻的正极导流体401a的正极进液口402a一一对应连通；负极主流道703b与负极悬浮液总进液口连接，负极分流道704b与下边相邻的负极导流体401b的负极进液口402b一一对应连通。
本发明中，汇流板与上述分流板相同，放置位置不同，分流板置于电池单元组601的上方，汇流板置于电池单元组的下方，汇流板的正极主流道与正极悬浮液总出液口连接，正极分流道与上边相邻的正极导流体的正极出液口一一对应连通；负极主流道与负极悬浮液总出液口连接，负极分流道与上边相邻的负极导流体的负极出液口一一对应连通。
图8为锂离子液流电池反应器组装结构示意图，锂离子液流电池反应器由上盖板801、下盖板802、分流板701、汇流板805、电池单元组601组成。上盖板设置有正极悬浮液总进液口803a和负极悬浮液总进液口804a，下盖板设置有正极悬浮液总出液口803b和负极悬浮液总出液口804b。锂离子液流电池反应器通过密封件密封、紧固件紧固，电池反应器内的各电池单元501的正极端子301a均通过导电线或者导电柱连接到电池反应器901的正极集流端子902上，负极端子301b均通过导电线或者导电柱连接到电池反应器901的负极集流端子903上，完成电池单元组的并联连接，组装结构图如图9所示。
实施例一：
本实施例提供一种锂离子液流电池反应器901，包括双极性隔膜201、正极导流体401a、负极导流体401b、分流板701a、汇流板701b、上盖板801、下盖板802。其中，若干个双极性隔膜201、正极导流体401a、负极导流体401b相互交替上下叠加构成电池单元组601，锂离子液流电池反应器901按照上盖板801——分流板701a——电池单元组601——汇流板701b——下盖板802的方式排列，通过密封件密封，紧固件压紧组成。各电池单元501通过金属线并联连接。
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成，按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层104之间的间隙空间构成正极反应腔101，相邻两个相对的负极集流层105之间的间隙空间构成负极反应腔102；在正极反应腔101内放置有正极导流体401a，负极反应腔102内放置有负极导流体401b，导流体401为在中空“回”形框内平行设置若干根流道脊406组成的，流道脊406的厚度小于反应腔的高度，流道脊406将导流体401分隔成若干个导流道405，所述导流道405相互平行，导流体401边框对应每个导流道405位置均设有进液口402和出液口403，相邻正极导流体401a中，上一层正极导流体401a的正极出液口402a与相邻下一层正极导流体401a的正极进液口403a通过连通结构的过流道404b同侧串联连通，相邻负极导流体401b的连通方式同正极一致。并且，正极导流道405a与负极导流道405b相互垂直。
本实施例中，导流体401包括正极导流体401a和负极导流体401b，材料为聚四氟乙烯，设置在导流体401内的流道脊406流道脊上下两侧设置有若干个凸台407，凸台407为半球形状；流道脊406上的凸台407为柔性绝缘材料，具有一定的弹性，正极流道脊406a上的正极凸台407a与负极流道脊406b上的负极凸台407b一一对应，对对夹在正极导流体401a和负极导流体401b之间的双极性隔膜201具有支撑作用。本实施例中，流道脊与凸台之间采用一体化加工制作。
本实施例中，正极反应腔101高度为8mm，正极流道脊406a厚度为5mm，宽度为3mm，正极流道脊406a间距为12mm，正极流道脊406a两侧的正极凸台407a高度为3mm。
负极反应腔102高度为5mm，负极流道脊406b厚度为2mm，宽度为3mm，负极流道脊406b间距为12mm，负极流道脊406b两侧的负极凸台407b高度为3mm。
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成。其中隔离层103为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，本实施例使用非织造膜(无纺布)，其厚度为0.1mm。正极集流层104和负极集流层105为电解液或者凝胶电解质中的锂离子和电池内的电子均可自由通过的混合导电层，本实施例使用具有通孔结构的混合导电层，其厚度为0.1mm，通孔孔隙率为70％，孔径范围0.5mm。正极集流层104和负极集流层105放置于隔离层的两侧，并与隔离层103紧密接触，绝缘边框202通过激光焊接将正极集流层104、负极集流层105和隔离层103的边缘复合在一起。
本实施例中，在锂离子电池反应器901总进液口出处设置有分流板701a，总出液口处设置有汇流板701b。分流板701a和汇流板701b均设置有正极流道702a和负极流道702b。在分流板上，正极主流道703a与正极悬浮液总进液口连接，正极分流道704a与下边相邻的正极导流体401a的正极进液口402a一一对应连通；负极主流道703b与负极悬浮液总进液口连接，负极分流道704b与下边相邻的负极导流体401b的负极进液口402b一一对应连通。在汇流板上，正极主流道703a与正极悬浮液总出液口连接，正极分流道704a与上边相邻的正极导流体401a的正极出液口403a一一对应连通；负极主流道703b与负极悬浮液总出液口连接，负极分流道704b与上边相邻的负极导流体401b的负极出液口403b一一对应连通。
本实施例中，正极悬浮液106从电池反应器901的正极悬浮液总进液口803a流入到分流板701a的正极流道702a，通过正极总流道703a将和正极分流道704a将正极悬浮液的平均分配到下边相邻的正极导流体401a的正极进液口402a。正极导流道405a的正极进液口402a并行进入放置在正极反应腔101内的正极导流体401a，完后通过正极导流道405a的正极出液口403a进过正极悬浮液过流口404a流入到相邻的下一层正极导流体401a的正极导流道内405a。这样，相邻正极导流体中401a，上一层正极导流体401a的正极出液口403a与相邻下一层正极导流体401a的正极进液口402a通过连通结构同侧串联连通。完后正极悬浮液106从反应器的下侧经过汇流板701b上的正极流道702a，通过正极总流道703a将和正极分流道704a将正极悬浮液106汇流道正极悬浮液的总出液口803b。负极悬浮液107的流动方式和正极悬浮液106的流动方式一致，在电池反应腔内，正极悬浮液106与负极悬浮液107流动方向相互垂直。
实施例二：
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层103两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成。其中，隔离层103为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.5mm。正极集流层104和负极集流层105都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度都为200μm。正极集流层104和负极集流层105放置于隔离层103的两侧，并与隔离层103紧密接触，绝缘边框202通过激光焊接固定方式与正极集流层104、隔离层103和负极集流层105的边缘复合在一起。
隔离层103为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层103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无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层103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。电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有电解液、聚合物液体等离子导电的材料。
正极集流层104为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，正极集流层104为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，金属导电层104为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，正极集流层104为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物。或者，正极集流层104为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，聚合物电解质层为聚合物基体、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。或者，正极集流层104为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
负极集流层105为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述负极集流层105为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层105为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜，优选为镀镍铜。或者，负极集流层105为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物。或者，负极集流层105为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、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。或者，负极集流层105为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
组成双极性隔膜的隔离层103、正极集流层104和负极集流层105的材料及结构如表1所示。
表1组成双极性隔膜的隔离层、正极集流层和负极集流层的材料及结构
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例三：
本实施例中，锂离子液流电池反应器901设置气体保护装置，所述气体保护装置处于电池反应器的电池反应腔和电极悬浮液通道外侧四周边缘，使整个电池反应器处于惰性气体氛围保护中，这样能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。惰性气体为氩气，气压为0.5MPa。
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例四：
本发明锂离子液流电池反应器901浸没在阻燃电解液中，所述液体能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。
本实施例的其它内容与实施例一相同。
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 (9)
1.一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体；所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，若干个双极性隔膜按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层之间的间隙空间构成正极反应腔，相邻两个相对的负极集流层之间的间隙空间构成负极反应腔；在正极反应腔内放置有正极导流体，负极反应腔内放置有负极导流体，若干个双极性隔膜、正极导流体、负极导流体相互交替上下叠加构成电池单元组，其特征在于：
所述导流体由中空“回”形框内平行设置若干根流道脊组成，所述流道脊的高度小于反应腔的高度，流道脊将导流体分隔成若干个相互平行的导流道，导流体边框在对应每个导流道两端的位置均设有进液口和出液口；
相邻正极导流体中，上一层正极导流体的正极出液口与相邻下一层正极导流体的正极进液口通过连通结构同侧串联连通；相邻负极导流体中，上一层负极导流体的负极出液口与相邻下一层负极导流体的负极进液口通过连通结构同侧串联连通；正极导流体的导流道与负极导流体的导流道相互垂直。
2.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述连通结构为电极悬浮液流通孔，即在正极导流体边框设置有负极悬浮液流通孔，所述负极悬浮液流通孔连接上一层负极导流体的负极出液口与相邻下一层负极导流体的负极进液口；在负极导流体边框设置有正极悬浮液流通孔，所述正极悬浮液流通孔连接上一层正极导流体的正极出液口与相邻下一层正极导流体的正极进液口；进一步，在电极悬浮液流通孔的内侧设置有中空绝缘密封管；
或者，所述连通结构为设有导流槽的连通罩，其中，正极连通罩的导流槽一一对应连接正极导流体的正极出液口与相邻下一层的正极导流体的正极进液口，负极连通罩的导流槽一一连接负极导流体的负极出液口与相邻下一层的负极导流体的负极进液口。
3.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述导流体为电子绝缘材料，优选为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述流道脊的上下两侧设置有若干个凸台，所述的凸台为半球形状、圆柱体状、梯形体状、圆台等规则几何体或各种异型不规则几何体，并由具有弹性的柔性绝缘材料构成；流道脊与凸台之间采用激光焊接、热熔焊接、粘接等方式固定，或者一体化加工制作。
5.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极反应腔高度为1mm～20mm，正极流道脊高度为0.5mm～19mm，宽度为0.5mm～10mm，正极流道脊间距为2mm～100mm，正极流道脊两侧的正极凸台高度为0.5mm～5mm，优选为1mm；所述负极反应腔高度为0.5mm～15mm，负极流道脊高度为0.5mm～14mm，宽度为0.5mm～10mm，负极流道脊间距为2mm～100mm，负极流道脊两侧的负极凸台高度为0.5mm～5mm，优选为1mm。
6.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，其中：
隔离层为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.005mm～1mm，正极集流层和负极集流层都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，厚度为0.01μm～1000μm，优选为具有通孔结构的电子导电层，通孔孔隙率为30％～99％，孔径范围10nm～2mm；
所述的隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层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，进一步，所述的电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料；
所述的正极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述正极集流层为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝；或者，所述正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物；或者，所述正极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、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；或者，所述正极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体；
所述的负极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述负极集流层为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜，优选为镀镍铜；或者，所述负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物；或者，所述负极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、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；或者，所述负极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
7.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述双极性隔膜的正极集流层与正极流道脊的凸台紧密接触；所述双极性隔膜的负极集流层与负极流道脊的凸台紧密接触；所述正极导流体流道脊上的凸台与负极导流体上流道脊的凸台一一对应。
8.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述锂离子液流电池反应器还包括分流板和汇流板，其中分流板包括正极分流板和负极分流板，位于电池单元组的上面，汇流板包括正极汇流板和负极汇流板，位于电池单元组的下面：
所述分流板和汇流板均设置有正极流道和负极流道，所述流道包括主流道和从主流道分支出的两条以上的分流道，分流道数量与每层导流体的进液口数量一致，正极分流板的正极分流道与相邻正极导流体的进液口连通，负极分流板的负极分流道与相邻负极导流体的进液口连通，正极汇流板的分流道与相邻正极导流体的出液口连通，负极汇流板的分流道与相邻负极导流体的出液口连通。
9.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述锂离子液流电池反应器设置气体保护装置，所述气体保护装置处于电池反应器的电池反应腔和电极悬浮液通道外侧四周边缘，整个电池反应器处于惰性气体氛围保护中，所述惰性气体包括氮气或氩气或氮氩混合气体，气压在0.1～0.5MPa之间；
或者，所述锂离子液流电池反应器浸没在阻燃电解液、绝缘油、或者石蜡等液体保护中。
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