CN106549188A - 一种锌硫单液流电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种锌硫单液流电池系统，由一节或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵和循环管路组成；单电池包括正极、负极，正极由基体和其上的正极材料组成，正极材料为硫单质，负极为锌沉积型电极；充电时，正极中的硫单质固固相转化反应生成硫化锌；负极上锌离子直接以锌单质形式沉积；放电时，硫化锌固固相转化反应生成硫单质。该电池由于正负极反应为固固相转化及固液相转化，无需离子交换膜，具有安全性高、能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。

Description

一种锌硫单液流电池系统
技术领域
本发明涉及一种单液流电池系统。
技术背景
近年来，随着经济发展及环境压力，二次电池的发展方兴未艾，在传统的二次电池中，锂离子电池具有较高的性能。锂离子电池是利用Li+作为储能介质来储存电能，利用Li+的嵌入及脱欠实现电池的充放电循环。但由于锂较活泼，导致锂离子电池的安全性较差。
锂硫电池正极活性物质为硫单质，但是由于单质硫的导电性能比较差，通常将多孔或比表面较大的碳材料(如介孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、膨胀石墨和石墨烯等)作为导电剂与单质硫通过高温液相或气相法合成碳硫复合物。由于硫正极材料的质量比容量较高1675mAh/g，产业化的各种石墨负极无法与之匹配，某些高比容量负极材料如硅等目前也处于研究阶段，因此锂硫电池多采用金属锂(理论容量3800mAh/g)作为负极。
锂硫电池采用有机溶液作为电解液，并且金属锂活泼，极不稳定，安全性较差。本发明提出的锌硫单液流电池，一方面使用水系电解液解决了安全性的问题，而且，锌相对金属锂安全性也得到了明显的提高。并且，由于正负极使用相同的电解液，实现了电池的单液流化，系统简便。
发明内容
本发明结合锂硫电池、水系锌电池、液流电池的优点提出了锌硫单液流电池的概念，改善了电池的安全性、简化了系统，更适合于大规模储能使用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种锌硫单液流电池系统，由一节或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵和循环管路组成；单电池包括正极、负极，正极由基体和其上的正极材料组成，正极材料为硫单质，负极为锌沉积型电极；充电时，正极中的硫单质固固相转化反应生成硫化锌；负极上锌离子直接以锌单质形式沉积；放电时，硫化锌固固相转化反应生成硫单质。
所述电池电解液为ZnO与碱的混合水溶液，ZnO浓度为0.1-0.5mol/L；碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾，碱浓度为4-8mol/L。
所述正极由S、导电剂碳粉和粘接剂组成，正极基体采用板状或多孔状碳材料。
所述负极为沉积锌电极，负极采用板状或多孔状的金属或碳材料作为基体。
本发明的有益效果：
本发明结合锂硫电池、水系锌电池、液流电池的优点提出了锌硫单液流电池的概念，该电池由于正负极反应为固固相转化及固液相转化，无需离子交换膜，具有安全性高、能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点,更适合于大规模储能使用。
附图说明
图1为实施例1组装的单电池示意图；
1-正极端板；2-负极端板；3-正极；4-负极；5-泵；6-电解液储罐
图2为实施例组装的单电池的电池性能；
图3为实施例组装的单电池的在不同电流密度下的电池性能图；
图4为实施例组装的单电池的电池循环性能图。
具体实施方式
实施例
正极制备：
将碳材料：活性炭与粘接剂PTFE 8:2的比例加入PTFE乳液，充分混合，超声30min，待该混合液均匀，待用。
采用喷涂的方式，将混合液喷涂至泡沫镍集流体上，当量0.2mg/cm2，烘干，辊压机辊压至泡沫镍原始厚度。
单质硫、导电剂碳、粘接剂PTFE，按照质量比8：1：1的比例称取一定量，溶于去离子水和乙醇的混合溶液中，超声30min，加入PTFE乳液，超声30min以上，至溶液均匀。
将上述混合液放入70℃的水浴中加热，伴随搅拌，将其中的溶剂挥发出去，剩余固体物质成团状。使用辊压机辊压成型，最终压制成200μm薄膜状柔性电极，空气中搁置十分钟，裁切所需尺寸，与集流体放入油压机中，室温下采用2MPa压力压制10min，在50℃鼓风干燥箱中烘干。
电解液配置及电池组装：
电解液：40ml的0.5mol/L ZnO+8mol/L NaOH
电池组装：电池端板、正极3x3cm2、负极3x3cm2石墨板、负正极端板。单电池结构及系统见图1。
电池测试：
电解液流速：5ml/min；充放电电流密度20mA/cm2；充电容量20mAh/cm2。
电池充放电曲线见图2，倍率性能见图3，长寿命实验结果见图4。由图2、图3，图4可知在充放电电流密度20mA/cm2；充电容量20mAh/cm2条件下电池的能量效率达到了80％左右，200次循环性能未见明显衰减。
该电池由于正负极反应为固固相转化及固液相转化，无需离子交换膜，具有安全性高、能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点,更适合于大规模储能使用。相比同类金属锂硫电池，由于金属锌在空气中稳定，虽然同样存在枝晶的问题，但安全性更好，不存在起火爆炸的危险。相比其他水系液流电池，由于采用有机体系，安全电压窗口更高，杜绝了析氧和析氢的问题。

Claims (4)

1.一种锌硫单液流电池系统，由一节或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵和循环管路组成；单电池包括正极、负极，其特征在于：正极由基体和其上的正极材料组成，正极材料为硫单质，负极为锌沉积型电极；充电时，正极中的硫单质固固相转化反应生成硫化锌；负极上锌离子直接以锌单质形式沉积；放电时，硫化锌固固相转化反应生成硫单质。
2.根据权利要求1所述的锌硫单液流电池系统，其特征在于：所述电池电解液为ZnO与碱的混合水溶液，ZnO浓度为0.1-0.5mol/L；碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾，碱浓度为4-8mol/L。
3.根据权利要求1所述的锌硫单液流电池系统，其特征在于：所述正极由S、导电剂碳粉和粘接剂组成，正极基体采用板状或多孔状碳材料。
4.根据权利要求1所述的锌离子单液流电池，其特征在于：所述负极为沉积锌电极，负极采用板状或多孔状的金属或碳材料作为基体。
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