CN108767303A - 一种半固态液流电池 - Google Patents

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林孟昌
陈新正
刘帅
李遥
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Abstract

本发明公开了一种半固态液流电池，包括能使混合浆料进出的电池槽，电池槽包括上槽体和下槽体，上槽体和下槽体之间设置有隔离膜，上槽体和下槽体的底部且靠近隔离膜一侧均平铺有金属集流体，金属集流体延伸至上槽体或下槽体外；上槽体和下槽体的侧面上分别连接有管路，管路分别与上槽体和下槽体的另一侧面相连通，所述管路上设置有蠕动泵和混合浆料池，所述混合浆料池内设置有混合浆料。本发明通过半固态液流装置设计，可容易的通过扩大石墨颗粒与电解液混合物浆料的体积容量来提高电池组的电容量；导电率高、低污染、高安全性的离子液体作为电解液，可以制造出成本低、寿命长、容量大、安全性好的电池系统。

Description

一种半固态液流电池
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体地说，涉及一种半固态液流电池。
背景技术
近年来，随着人们对环境保护意识的增强，传统的火力发电越来越不被人们所接受，故而清洁能源发电成为了主流研究发展方向。清洁能源发电尤其以风力发电和光伏发电为主，我国的西北地区依据天然优势，大力发展风电和光伏发电，但是巨大的发电量因为没有合适的储能装置而出现了大量的弃电现象。目前相对发展较好的全钒液流电池已被用于光伏发电系统储能和风力发电储能示范，但是全钒液流电池存在着离子交换膜技术困难、钒金属离子电解液成本高与侵蚀性强、能量密度低和体积大的问题仍然亟待解决。虽然锂离子电池技术已经取得了很大的进展，也成功应用于电动汽车的动力来源，但是仍有高成本与低安全性等方面仍有待突破。铅酸电池具有低成本优势，但循环寿命低，且制造与回收过程中会造成环境污染问题也阻碍其应用作为电网储电系统。
近年来，以石墨作为正、负电极材料，离子液体作为电解液的双离子电池具备低成本、高安全性等优势，有潜质应用于作为电网储电系统，但其仍存在着电容量不足的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种成本低、环保、循环性能好的半固态液流电池，通过将正负极石墨材料与电解液混合制备成浆料，储存于电池外部的罐体内，通过扩大浆料体积来提升电池组的总电容量，可降低电池组体积。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种半固态液流电池，包括能使混合浆料进出的电池槽(4)，所述电池槽(4)包括上槽体(14)和下槽体(15)，所述上槽体(14)和下槽体(15)之间设置有隔离膜(1)，所述的上槽体(14)和下槽体(15)的底部且靠近隔离膜(1)一侧均平铺有金属集流体(6)，所述金属集流体(6)延伸至上槽体(14)或下槽体(15)外；所述上槽体(14)和下槽体(15)的侧面上分别连接有管路(3)，管路(3)分别与上槽体(14)和下槽体(15)的另一侧面相连通，所述管路(3)上设置有蠕动泵(2)和混合浆料池(5)，所述混合浆料池(5)内设置有混合浆料。
可选地，所述上槽体(14)和下槽体(15)为聚四氟乙烯，所述的上槽体(14)和下槽体(15)上设置有固定孔(9)，所述上槽体(14)和下槽体(15)通过固定孔(9)和螺栓相连接。
可选地，所述上槽体(14)和下槽体(15)内部设置有浆料进槽孔(10)，所述浆料进槽孔(10)与上槽体(14)和下槽体(15)底部成45°，所述浆料进槽孔(10)的孔径为1mm。
可选地，所述的上槽体(14)相对的两个侧面分别设置有进口端(7)和出口端(8)，所述进口端(7)和出口端(8)均与管路(3)相连接；所述的下槽体(15)相对的两个侧面分别设置有进口端(7)和出口端(8)，所述进口端(7)和出口端(8)均与管路(3)相连接。
可选地，所述混合浆料包括石墨颗粒(11)和碳纳米管(12)，所述石墨颗粒(11)、碳纳米管(12)的质量比为1:1。
可选地，所述的混合浆料还包括电解液(13)，所述电解液(13)为离子电解液，所述离子电解液为摩尔比为1：1的DMPICl-AlCl3，所述DMPICl全称1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium chloride，别名1，2-Dimethyl-3-propyl-1H-imidazoliumchloride，分子式C8H15Cl
N2，结构式为。
可选地，所述的石墨颗粒为SP1鳞片石墨。
可选地，所述碳纳米管为工业级多壁碳纳米管。
可选地，所述金属集流体纯度大于99.9％的镍箔。
可选地，所述半固态液流电池电压为1～4.2V；循环效率达85％；容量为30mAh/g；电流密度为20mA/g～30mA/g。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明采用电导率高、粘度低、不燃性、无污染的离子液体作为电解液，有效提高了电池开路电压和安全性；正负电极采用储量丰富的石墨，有效降低了成本；采用碳纳米管有效增加了浆料粘稠度和导电性；采用玻璃纤维作为隔膜有效提高了离子通过性，同时有效降低了成本；采用价格低廉、耐腐蚀、不溶于有机溶剂、易加工的聚四氟乙烯作为电池槽，有效增加了电池规格的可塑性和成本。
2)本发明透过加大离子液体电解液与石墨的混合浆料的体积来提高电池组的电容量。采用将石墨、碳纳米管混合于双离子电解液中配置成浆料，可以实现电流直接给浆料充电、抽出失效浆料注入新的浆料和将浆料循环充电三种充电方式，前两种用于电动汽车将有效提高续航里程和缩短充电时间，第三种能根据电池规格有效提高储能容量。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电池槽结构图；
图3是本发明的电池槽俯视结构图；
图4是本发明的电池槽剖面结构图；
图5是采用本发明实施例制备的半固态液流电池的循环曲线图；
图6是采用本发明实施例制备的半固态液流电池的充放电曲线图。
图中，1、隔离膜，2、蠕动泵，3、管路，4、电池槽，5、混合浆料池，6、金属集流体，7、进口端，8、出口端，9、固定孔，10、浆料进槽孔，11、石墨颗粒，12、碳纳米管，13、电解液，14、上槽体，15、下槽体。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
一种半固态液流电池，如图1-图4所示，包括能使混合浆料进出的电池槽4，所述电池槽4包括上槽体14和下槽体15，所述上槽体14和下槽体15之间设置有隔离膜1，所述的上槽体14和下槽体15的底部且靠近隔离膜1一侧均平铺有金属集流体6，所述金属集流体6延伸至上槽体14或下槽体15外；所述上槽体14和下槽体15上分别连接有管路3，管路3分别与上槽体14和下槽体15相连通，所述管路3上设置有蠕动泵2和混合浆料池5，所述混合浆料池5内设置有混合浆料。
其中，所述上槽体14和下槽体15为聚四氟乙烯，所述的上槽体14和下槽体15上设置有固定孔9，所述上槽体14和下槽体15通过固定孔9和螺栓相连接。
所述上槽体14和下槽体15内部设置有浆料进槽孔10，所述浆料进槽孔10与上槽体14和下槽体15底部成45°，所述浆料进槽孔10的孔径为1mm。
所述的上槽体14相对的两个侧面分别设置有进口端7和出口端8，所述进口端7和出口端8均与管路3相连接；所述的下槽体15相对的两个侧面分别设置有进口端7和出口端8，所述进口端7和出口端8均与管路3相连接。
所述混合浆料包括石墨颗粒11和碳纳米管12，所述石墨颗粒11、碳纳米管12的质量比为1:1。
所述的混合浆料还包括电解液13，所述的电解液13为离子电解液，所述离子电解液为摩尔比为1：1的DMPICl-AlCl3，所述DMPICl全称1,2-Dimethyl-3-propylimidazoliumchloride，别名1，2-Dimethyl-3-propyl-1H-imidazoliumchloride，分子式C8H15ClN2，结构式为
所述碳纳米管为普通工业级多壁碳纳米管。
所述金属集流体纯度大于99.9％的镍箔。
所述半固态液流电池电压为1～4.2V；循环效率达85％；容量为30mAh/g；电流密度为20mA/g～30mA/g。
其中，所述石墨颗粒为SP1鳞片石墨。
实施例2
一种半固态液流电池的制备方法，操作均在充满惰性气体的手套箱中进行，步骤为：
第一步，电极浆料的制备：制备摩尔比为1：1的DMPICl-AlCl3离子液体，然后先后加入质量比为1：1的碳纳米管-SP1石墨，置于磁力搅拌器上搅拌直至浆料混合均匀并呈现出泥浆状态。
第二步，电极极片的制备：用酒精对镍箔(金属集流体，厚度为0.03mm)清洗、去污；按照电池槽大小裁剪出合适的镍箔集流体，并固定于电池槽内部。
第三步，电池隔膜的制备：根据电池槽的大小裁剪出不超过电池槽外径并且不小于电池槽内径的玻璃纤维，用配置好的DMPICl-AlCl3离子液体充分浸润后置于上下电池槽之间，并使其完全隔开镍箔集流体。
第四步，电池的制备：在前两步的基础上，用螺栓、螺母将上下两电池槽固定牢固，然后通过转接口连接泵管，每条连接电池槽进口端的泵管通过蠕动泵放置于配置好的浆料中，连接出口端的泵管直接放置于配置好的浆料中，设置好泵的工作参数电池即可进行工作。
对上述制备的电池进行充放电测试，电流密度30mA/g，电压范围：1～4.2V，测试结果如图5、6所示。图5是采用本发明的技术方案制备的SP1石墨电极半固态液流电池的循环效率曲线，SP1石墨电池经过400次充放电循环的性能曲线，电池在400次充放电循环内容量略有起伏，放电容量均在25mAh/g以上，循环效率始终在85％以上。图6是采用本发明的技术方案制备的SP1石墨电极半固态液流电池的充放电曲线，可知电池工作电压范围1～4.2V，放电平台开始于3.7V左右。
双离子电池是一密闭型的电池，电容量无法扩张。本发明的半固态液流电池为开放体系，可透过增加电解液与石墨浆料的体积来扩大电池组的总电容量。本发明克服了可流动又具导电性的浆料配方的选择难的问题以及电池装置结构的设计的困难。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半固态液流电池，其特征在于，包括能使混合浆料进出的电池槽(4)，所述电池槽(4)包括上槽体(14)和下槽体(15)，所述上槽体(14)和下槽体(15)之间设置有隔离膜(1)，所述的上槽体(14)和下槽体(15)的底部且靠近隔离膜(1)一侧均平铺有金属集流体(6)，所述金属集流体(6)延伸至上槽体(14)或下槽体(15)外；所述上槽体(14)和下槽体(15)的侧面上分别连接有管路(3)，管路(3)分别与上槽体(14)和下槽体(15)的另一侧面相连通，所述管路(3)上设置有蠕动泵(2)和混合浆料池(5)，所述混合浆料池(5)内设置有混合浆料。
2.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述上槽体(14)和下槽体(15)为聚四氟乙烯，所述的上槽体(14)和下槽体(15)上设置有固定孔(9)，所述上槽体(14)和下槽体(15)通过固定孔(9)和螺栓相连接。
3.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述上槽体(14)和下槽体(15)内部设置有浆料进槽孔(10)，所述浆料进槽孔(10)与上槽体(14)和下槽体(15)底部成45°，所述浆料进槽孔(10)的孔径为1mm。
4.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述的上槽体(14)相对的两个侧面分别设置有进口端(7)和出口端(8)，所述进口端(7)和出口端(8)均与管路(3)相连接；所述的下槽体(15)相对的两个侧面分别设置有进口端(7)和出口端(8)，所述进口端(7)和出口端(8)均与管路(3)相连接。
5.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述混合浆料包括石墨颗粒(11)和碳纳米管(12)，所述石墨颗粒(11)、碳纳米管(12)的质量比为1:1。
6.根据权利要求5所述的半固态液流电池，其特征在于，所述的混合浆料还包括电解液(13)，所述电解液(13)为离子电解液，所述离子电解液为摩尔比为1：1的DMPICl-AlCl3，所述DMPICl全称1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium chloride，别名1，2-Dimethyl-3-propyl-1H-imidazoliumchloride，分子式C8H15ClN2，结构式为
7.根据权利要求5所述的半固态液流电池，其特征在于，所述的石墨颗粒为SP1鳞片石墨。
8.根据权利要求5所述的半固态液流电池，其特征在于，所述碳纳米管为工业级多壁碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述金属集流体纯度大于99.9％的镍箔。
10.根据权利要求1所述的半固态液流电池，其特征在于，所述半固态液流电池电压为1～4.2V；循环效率达85％；容量为30mAh/g；电流密度为20mA/g～30mA/g。
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