CN109103495A - 具有散热结构的浆料储能结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有散热结构的浆料储能结构，其包括电化学反应器，所述电化学反应器包括正极腔室、负极腔室、设于所述正极腔室、负极腔室之间的隔膜结构、以及正极集流体和负极集流体；还包括对腔室进行散热的散热结构；所述散热结构能够及时将所述电化学反应器中的内部热量引出，使得电化学反应器内容温度分布均匀；活性浆料所处的电化学环境与温度环境要明显优于半固态液流电池，具有更高的安全性和更长的使用寿命。

Description

具有散热结构的浆料储能结构

技术领域

本发明涉及浆料储能结构技术领域，具体地，涉及一种具有散热结构的浆料储能结构。

背景技术

锂离子电池的电极制造，正极浆料由粘合剂、导电剂、正极材料等组成。半固态液流电池是一种结合液流电池与锂离子电池的新型电池结构，其采用液流电池的结构，以及固体活性物质，具有了液流电池的功率与容量分离特性以及固体活性物质高比能量密度等优点，受到了学术界及产业界的关注。

然而浆料电池由于其电池内部导电网络的稳定性较差，其电极阻抗较高，因此在工作时会具有发热严重且热量分布不均匀等问题。

现有技术中提出采用浆料流动手段解决电池的发热问题，但并不能从根本解决发热以及热量不均匀的问题。

为此，现提供一种具有散热结构的浆料储能结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有散热结构的浆料储能结构。

为实现上述目的，本发明提供一种具有散热结构的浆料储能结构，其包括电化学反应器，所述电化学反应器包括正极腔室、负极腔室、设于所述正极腔室、负极腔室之间的隔膜结构、以及正极集流体和负极集流体；还包括对腔室进行散热的散热结构；

其中，所述散热结构包括设于所述腔室外且与所述正极集流体、所述负极集流体连接的散热片；

所述散热片通过焊接、胶接或机械接触与所述正极集流体和/或所述负极集流体连接，且连接处采用绝缘胶进行密封；或者所述散热片与所述正极集流体和/或所述负极集流体一体化制造。

还包括设于所述电化学反应器的腔室内辅助浆料运动的辅助结构，所述辅助结构包括搅拌结构。

所述搅拌结构包括设于腔室两端的电磁铁，以及设于所述腔室内的磁子；两端的所述电磁铁按驱动工作制度进行通、断电切换，所述磁子在所述电磁铁的磁场作用发生运动，对所述腔室内的浆料进行搅拌。

所述磁子设为采用铁、钴、镍或铁氧体以及其他磁性材料制成的磁子，所述磁字包括一种或多种不同的直径，其直径范围为10μm-1mm。

所述磁子的表面包覆有一层绝缘涂料。

所述驱动工作制度为：搅拌时，所述腔室的第一端的电磁铁通电、第二端的电磁铁断电，所述磁子在磁场作用发生运动并到达第一端，而后所述第一端的所述的电磁铁断电，所述腔室的第二端的所述电磁铁通电，所述磁子在磁场作用下发生反向运动并达到第二端；而后循环反复。

所述隔膜结构包括隔离层，设于所述隔离层两侧的导电层，还包括设于所述导电层与所述隔离层之间的绝缘涂层；其中，所述导电层、所述绝缘涂层、所述隔离层、所述绝缘涂层和所述导电层依次层叠并贴合成一体，相邻两层之间的间隙不大于10μm。

本发明相对于现有技术，具有如下优点之处：

在本发明中，通过设置散热结构，能够及时将所述电化学反应器中的内部热量引出，使得电化学反应器内容温度分布均匀；活性浆料所处的电化学环境与温度环境要明显优于半固态液流电池，具有更高的安全性和更长的使用寿命。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的电磁具有散热结构的浆料储能结构截面示意图；

图2为本发明所述的电磁具有散热结构的浆料储能结构部分结构示意图；

图3为本发明所述的电磁具有散热结构的浆料储能结构部分拆分结构示意图；

图4为本发明所述的隔膜结构截面示意图；

附体标记说明：1-正极集流体；2-正极引出端；3-正极腔室；4-负极集流体；5-负极引出端；6-负极腔室；7-隔膜结构；8-散热片；9-磁子；10-电磁铁；11-进料口；12-出料口；13-正极板框；14-负极板框；15-隔膜结构板框；16-隔离层；17-导电层；18-绝缘涂层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

如图1、2和3所示，本实施例提供一种具有散热结构的浆料储能结构，其包括电化学反应器，所述电化学反应器包括正极腔室3、负极腔室6、设于所述正极腔室3、负极腔室6之间的隔膜结构、以及正极集流体1和负极集流体4；还包括对腔室进行散热的散热结构；

其中，所述散热结构包括设于所述腔室外且与所述正极集流体1、所述负极集流体4连接的散热片8；

所述散热片8通过焊接、胶接或机械接触与所述正极集流体1和/或所述负极集流体4连接，且连接处采用绝缘胶进行密封；或者所述散热片8与所述正极集流体1和/或所述负极集流体4一体化制造。

在本实施例中，通过设置散热结构，能够及时将所述电化学反应器中的内部热量引出，使得电化学反应器内容温度分布均匀；活性浆料所处的电化学环境与温度环境要明显优于半固态液流电池，具有更高的安全性和更长的使用寿命。

在本实施例中，正、负集流体延伸到电化学反应器外部，与散热片8相连，导出电化学反应器内部充放电过程中产生的热量，延伸的电化学集流体可以是正极集流体1或负极集流体4，也可以是正、负两种集流体同时延伸。其中，所述散热片8通过焊接、胶接或机械接触与所述正极集流体1和/或所述负极集流体4连接，且连接处采用绝缘胶进行密封；或者所述散热片8与所述正极集流体和/或所述负极集流体一体化制造。具体地，所述散热片8可以单独与负极集流体4相连，或单独与正极集流体1相连，也可与同时与正极集流体1或负极集流体4相连；所述散热片8所选材料可以为铜、铝、铁等传热系数较高的材料。

还包括设于所述电化学反应器的的腔室内辅助浆料运动的辅助结构，所述辅助结构包括搅拌结构。

在本实施例中，通过设置所述辅助结构来辅助所述电化学腔室内的浆料运动，从而能够在不电解液的固含量的基础上保证能量密度，同时还能防止内部发生局部沉降、减少极化及枝晶的产生的。

所述搅拌结构包括设于腔室两端的电磁铁10，以及设于所述腔室内的磁子9；两端的所述电磁铁10按驱动工作制度进行通、断电切换，所述磁子9在所述电磁铁10的磁场作用发生运动，对所述腔室内的浆料进行搅拌。

在本实施例中，通过两端的电磁铁10通、断电来切换磁场，使得所述磁子9发生不同方向的运行，从而达到搅拌的目的，其结构简单、易于操作且搅拌效果佳；同时，可以优选间歇式搅拌，降低能耗，对装置的输出功率影响小。

具体地，本实施例中的浆料设为至少由活性物质和电解液混合而成的沉积型浆料，所述活性物质设为储能颗粒，沉积型浆料中的储能颗粒相互之间堆积接触；沉积型浆料中的储能颗粒与导电剂协同形成导电网络，使电流通过导电网络传至集流体由正极引出端、负极引出端引出后形成电子回路；沉积型浆料的储能颗粒的表面与沉积型浆料内的电解液之间发生离子交换，离子通过沉积型浆料的储能颗粒之间的堆积间隙游离并透过所述隔膜结构形成离子回路。

在实施例中，活性浆料有所述进料口11进入，反应后有所述出料口12排出，所述活性浆料不需要在腔室或管道中流动，大大减轻了活性浆料的循环阻力，提高了储能系统的储能效率，且电化学反应器可以采用狭小流道设计；电化学反应器中的活性物质堆积密度高，内阻与极化现象要远小于锂离子液流电池。

在上述基础上，所述磁子9设为采用铁、钴、镍或铁氧体以及其他磁性材料制成的磁子9，所述磁字包括一种或多种不同的直径，其直径范围为10μm-1mm。在本实施例中，优选所述磁子9为钢珠，其直径设为0.3mm。作为优选的实施方式，所述磁子9的表面包覆有一层绝缘涂料，从而避免所述钢珠直接与活性物质或电解液接触。

具体地，所述电化学反应器包括正极腔室3、负极腔室6、设于所述正极腔室3、负极腔室6之间的隔膜结构、以及正极集流体1和负极集流体4。所述电化学反应器设为板式结构或管式结构或由多个子电化学反应器叠层安装而成，当然所述电化学反应器还可以设为其他设计结构。

在本实施例中，作为优选的实施方式，所述驱动工作制度为：搅拌时，所述腔室的第一端的电磁铁10通电、第二端的电磁铁10断电，所述磁子9在磁场作用发生运动并到达第一端，而后所述第一端的所述的电磁铁10断电，所述腔室的第二端的所述电磁铁10通电，所述磁子9在磁场作用下发生反向运动并达到第二端；而后循环反复；当然还可以选择其他驱动工作制度。

在上述基础上，本实施例中的隔膜结构为采用多孔聚合物薄膜、多孔陶瓷隔膜结构、无纺布、各类织物、纤维纸、金属网、碳纤维网、碳毡、聚合物毡等中的一种或多种材料的隔膜结构7。

图4所示，所述隔膜结构7包括隔离层16，设于所述隔离层16两侧的导电层17，还包括设于所述导电层17与所述隔离层16之间的绝缘涂层18；其中，所述导电层17、所述绝缘涂层18、所述隔离层16、所述绝缘涂层18和所述导电层17依次层叠并贴合成一体，相邻两层之间的间隙不大于10μm。

在本实施例中，两层导电层17与一层隔离层16形成所述导电隔膜结构7，且在所述导电层17与所述隔离层16之间设有所述绝缘涂层18，使得所述导电层17靠近所述隔离层16的一侧处于被绝缘涂层18包覆的状态，从而避免了离子在所述导电层17与所述隔离层16之间生产枝晶，防止所述隔离层16被扎，提高了电池体系的安全性能；同时，导电隔膜结构7实现了所述隔离层16与所述导电层17的一体化，简化了流态化浆料电池的电池结构，提高了电池内部体积利用率，提高了导电隔膜结构7的机械强度与使用寿命。

具体地，本实施例的所述绝缘涂层18的厚度为0.1～50μm；其中，相邻两层采用真空蒸镀或电镀或化学镀或流延或旋涂或喷涂或热压或丝网印刷或喷墨打印或粘接或机械压合复合成一体，从而保证所述导电层17与所述隔离层16能够紧密贴合形成导电隔膜结构7，且保证相邻两层之间的间隙不超过10μm。

具体地，在本实施例中，所述隔离层16设为采用聚乙烯或聚丙烯或聚偏氟乙烯或其它电子不导电的多孔聚合物材料制成的隔离层16；

作为可变换的实施方式，所述隔离层16还可以设为采用玻璃纤维无纺布或合成纤维无纺布或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制成的隔离层16；

进一步作为可变换的实施方式，所述隔离层16还可以设为采用电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三者复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料制成的隔离层16。

在上述实施例的基础上，本实施例的所述导电层17设为采用具有多通孔的金属薄板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成的导电层17，所述通孔呈圆形、椭圆形、半圆形、方形、六角形、三角形、菱形、梯形或不规格多边形；其中，所述金属薄板或所述金属箔的表面涂覆有导电碳材料涂层；当所述导电层17用于正极集流层时，所述金属薄板或金属箔设为采用铝、合金铝、不锈钢、银、锡、镍或钛制成的金属薄板或金属箔；当所述导电层17用于负极集流层时，所述金属薄板或金属箔设为采用铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜或镀银铜制成的金属薄板或金属箔。

作为可变换的实施方式，所述导电层17还可以设为具有多个通孔的电子导电层17，所述电子导电层17设为采用涤纶多孔丝导电布、碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布中的一种或几种制成的导电层17，或者，所述电子导电层17采用表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的有机材料制成的导电层17，所述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；其中，所述通孔为圆形、椭圆形、半圆形、方形、六角形、三角形、菱形、梯形或不规格多边形。

作为另一种可变换的实施方式，所述导电层17可以设为采用导电纤维编织而成的呈单层网状结构或多层网状结构的导电层17，或者，所述导电层17设为具有多个通孔的泡沫金属导电层17；其中，所述通孔为圆形、椭圆形、半圆形、方形、六角形、三角形、菱形、梯形或不规格多边形。

进一步，本实施例的所述导电层17的所述通孔中填充有绝缘多孔材料、凝胶聚合物电解质等离子导体材料，从而防止活性浆料进入所述导电层17的所述通孔中，进一步提高所述隔膜结构层的安全性。

在本实施例中，优选所述绝缘涂层18采用物理方法和化学方法涂覆在所述导电层17靠近所述绝缘层的一侧；其中，所述绝缘涂层18的涂料设为有机高分子材料或无机陶瓷材料或其他绝缘材料，所述物理方法包括机械涂覆或电镀或局部浸泡或气相沉积法或激光，所述化学方法包括电子束表面处理或热喷涂。

当然，作为可变换的实施方式，所述绝缘涂层18还可以采用物理方法和化学方法完全涂覆所述导电层17，所述导电层17靠近浆料的一侧通过打磨、热处理、化学腐蚀清除所述绝缘涂层18的涂料至裸露；

其中，所述绝缘涂层18的涂料设为有机高分子材料或无机陶瓷材料或其他绝缘材料，所述物理方法包括机械涂覆或电镀或局部浸泡或气相沉积法或激光，所述化学方法包括电子束表面处理或热喷涂；再通过打磨、热处理、化学腐蚀等物理和化学手段将靠近浆料一侧的绝缘涂层18清除，使导电层17裸露。

在上述基础上，本实施例中的所述正极集流体1和所述负极集流体4可以根据活性浆料中的储能活性物质而定，可采用丝状、网状、板状、棒状、发泡海绵状、纤维状中的一种或多种制成；其中，所述正极集流体1和所述负极集流体4的结构和材料可以相同，也可不同。

进一步地，优选本实施例所述的活性浆料中的储能活性物质为颗粒状固体；所述颗粒状固定的形状为球状、圆柱状、不规则片状、微小颗粒烧结成的多孔微球结构中的一种或多种混合。

所述活性浆料由储能活性物质、电解液、添加剂等成分组成，所述储能活性物质可选择具有多分散粒径分布，不同粒径的储能活性物质比例根据装置所需的浆料状态决定。在本实施例中，优选所述活性浆料的固含量在50%以上。

进一步地，储能活性物质、电解液、添加剂可根据实际需求选择现有商业电池体系正负极及电解液材料。所述储能活性物质可以选择锂离子电池材料体系，如：钴酸锂/钛酸锂/含锂盐碳酸酯、锰酸锂/碳/含锂盐碳酸酯、磷酸铁锂/碳/含锂盐碳酸酯等。所述储能活性物质可选择铅酸电池体系，如二氧化铅/金属铅/甲基磺酸铅水溶液，二氧化铅/金属铅/稀硫酸等。所述储能活性物质还可选择锌镍电池体系，如：二氧化镍/金属锌及锌合金/可溶性锌酸盐酸性水溶液，二氧化镍/金属锌及锌合金/可溶性锌酸盐碱性水溶液。所述储能活性物质还可选择锌锰电池体系、铁镍电池体系中所用活性物质。或者所述储能活性物质也可选择以上多种电对的混合体系或者新发现的活性物质电对体系。

作为优选的实施方式，还可以在所述储能活性物质中添加功能添加剂。其中，功能添加剂可以为导电剂、增稠剂、抗氧化剂、SEI膜改善添加剂、阻燃添加剂等中的一种或多种混合。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种具体的具有散热结构的浆料储能结构，如下：

设计装机容量为750kwh，设计最大功率为1mw。整个装置高约0.8m，占地面积在2m²左右，装置的体积能量密度约469wh/L，与目前锂离子电池体积能量密度基本一致。装置在大功率充放电过程中对浆料进行间歇搅拌，并在单次充放电循环结束后对浆料进行搅拌。

装置的电化学反应器的内长宽尺寸为83cm×200cm×30cm，具体如图3所示，上、下壳内测刻有凹槽。其中，正极集流体1采用100目的金属铝网，负极集流体4采用100目的金属铜网，直径都为0.5mm。所述正极集流体1和所述负极集流体4的一侧焊接上0.5mm厚的所述散热片8；具体地，所述散热片8采用金属铜制成，其尺寸为50cm×20cm，且表面涂覆有一层绝缘涂料。所述隔膜结构采用离子电池用的多孔PE隔膜结构，其中，孔径在0.08μm左右，所述隔膜结构的厚度为50μm。所述正极集流体1、所述负极集流体4及隔膜结构所述与对应的所述正极板框13、所述负极板框14以及所述隔膜结构板框15结合成正、负极板及隔膜结构板，所述正极板框13、所述负极板框14以及所述隔膜结构板，所述正极板框13、所述负极板框14以及所述隔膜结构板结合处采用绝缘胶密封。正、负极板与隔膜结构板，按负极板、隔膜结构板、正极板、隔膜结构板的顺序组装，正极板共计1000块，负极板攻击1001块，隔膜结构、共计1000块，各板间距为1mm，接口处用绝缘胶密封，在进出料口12安装200目的金属滤网，安装上下外壳，并用螺栓锁死。

所述电化学反应器安装好后先往电化学反应器中灌入一定量的电解液润湿腔室后，从所述进料口11添加所述磁子9。具体地，每一负极腔室6内添加约10000粒，正极腔内分布3000粒。在装置上、下外壳安装电磁铁10；从而完成装置的组装，该装置具有正极引出端2和负极引出端5。

该装置采用市场先有的商业锂离子电池体系材料制备成的沉积型浆料，正极材料采用尖晶石锰酸锂粉末、石墨粉、粘结剂构成的正极活性物质颗粒，粒径在5μm-500μm之间，负极材料采用石墨材料、铜粉石及粘结剂构成的负极活性物质颗粒，粒径在5μm-500μm之间。电解液采用添加了含锂电解质的碳酸脂，将上述材料混合搅拌成悬浮型浆料，分别注入装置对应腔室内，沉积形成沉积型浆料，正极活性浆料注入量为500L，充满正极腔室3，负极活性浆料注入量为500L充满负极腔室6，用电解液填充满进料口11空隙，使全体系与外界保持隔绝；启动电磁铁10使得磁子9与浆料之间混合均匀。

本装置具有一次性储能量大，对于制备要求精度低的诸多优点。在本实施例中活性物质和电解质可以更换，可直接回收已分离好的活性物质，回收成本大大降低，且对所用活性物质的使用寿命要求也可大大降低，可使用更为廉价的活性物质。反应装置与活性物质分离，由于装置寿命远高于活性物质，因此整个系统的使用寿命将大大延长，工作时只需较低成本的更新活性物质及极少的维护即可。

同时，相比于传统卷绕叠片或极板式的储能电池，该装置可以节约大量的隔膜结构、正负极集流体材料，电池体积能量密度和质量能量密度也有显著提高，同时电池制备不必使用昂贵的涂布机、切片机、叠片机等电池制造设备，因此电池的原料成本和制造成本大大降低，相较于当前商用的同等规模锂离子储能电池，本装置的成本可以降低30%以上的成本。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.具有散热结构的浆料储能结构，其包括电化学反应器，所述电化学反应器包括正极腔室（3）、负极腔室（6）、设于所述正极腔室（3）、负极腔室（6）之间的隔膜结构、以及正极集流体（1）和负极集流体（4）；其特征在于：还包括对腔室进行散热的散热结构；

其中，所述散热结构包括设于所述腔室外且与所述正极集流体（1）、所述负极集流体（4）连接的散热片（8）；

所述散热片（8）通过焊接、胶接或机械接触与所述正极集流体（1）和/或所述负极集流体（4）连接，且连接处采用绝缘胶进行密封；或者所述散热片（8）与所述正极集流体（1）和/或所述负极集流体（4）一体化制造。

2.根据权利要求1所述的具有散热结构的浆料储能结构，其特征在于：还包括设于所述电化学反应器的腔室内辅助浆料运动的辅助结构，所述辅助结构包括搅拌结构。

3.根据权利要求2所述的具有散热结构的浆料储能结构，其特征在于：所述搅拌结构包括设于腔室两端的电磁铁（10），以及设于所述腔室内的磁子（9）；两端的所述电磁铁（10）按驱动工作制度进行通、断电切换，所述磁子（9）在所述电磁铁（10）的磁场作用发生运动，对所述腔室内的浆料进行搅拌。

4.根据权利要求3所述的具有散热结构的浆料储能结构，其特征在于：所述磁子（9）设为采用铁、钴、镍或铁氧体以及其他磁性材料制成的磁子（9），所述磁字包括一种或多种不同的直径，其直径范围为10μm-1mm。

5.根据权利要求4所述的具有散热结构的浆料储能结构，其特征在于：所述磁子（9）的表面包覆有一层绝缘涂料。

6.根据权利要求5所述的具有散热结构的浆料储能结构，其特征在于：所述驱动工作制度为：搅拌时，所述腔室的第一端的电磁铁（10）通电、第二端的电磁铁（10）断电，所述磁子（9）在磁场作用发生运动并到达第一端，而后所述第一端的所述的电磁铁（10）断电，所述腔室的第二端的所述电磁铁（10）通电，所述磁子（9）在磁场作用下发生反向运动并达到第二端；而后循环反复。

7.根据权利要求1所述的静态沉积型浆料电池，其特征在于：所述隔膜结构（7）包括隔离层（16），设于所述隔离层（16）两侧的导电层（17），还包括设于所述导电层（17）与所述隔离层（16）之间的绝缘涂层（18）；其中，所述导电层（17）、所述绝缘涂层（18）、所述隔离层（16）、所述绝缘涂层（18）和所述导电层（17）依次层叠并贴合成一体，相邻两层之间的间隙不大于10μm。