CN111106397B - 一种锌镍蓄电池 - Google Patents

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Abstract

一种锌镍蓄电池结构，包括：电池正负极端板，电池正负极电极框，正极，负极，正极集流体，负极集流体，电池隔膜。其中正极由基体和其上的正极活性物质组成，负极为沉积型碳毡电极；正负极均放在由PVC材料制作的电极框内；正极集流体均为硬石墨板；正负极之间加有电池隔膜来防止正负极接触造成电池短路；该电池采用正负极电解液用隔膜分开的方法，使得电池可以在单电池基础上进行多节串联，同时对正负极进行封闭处理且内部电解液不流动，大大简化了电池结构，减小浓差极化对电池的影响，提高电池能量密度，正负极使用同一种电解液，电池隔膜可以使用多孔膜来降低成本。该电池结构简单、能量密度高、功率密度高、加工及制造工艺简单。

Description

一种锌镍蓄电池
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，特别涉及一种锌镍电池领域。
技术背景
锌镍蓄电池电池是一种新型的低成本、高效率、环境友好型的液流电池储能技术，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。
传统锌镍蓄电池的缺点：1、正极为烧结式氧化镍电极,负极为镍箔上的沉积锌电极,电解液为1.0M ZnO+0.5M LiOH+10M KOH水溶液，且正负极之间没有隔膜。由于该电池无隔膜，导致该电池无法实现多节串联，在同一种、无物理阻隔且导通的流动电解液中，各节电池之间只能以并联的方式连接2、因为传统的锌镍蓄电池正极材料导电性差，电流无法从电极厚度方向导通，导致其不能使用全钒、锌溴等有隔膜电池结构运行，使得电池无法实现多节串联。该电池为蓄电池，电解液在正负两级不流动，通过提高电解液浓度的方法来增加电池容量，减少外加管路以及循环泵，大大降低成本。锌镍电堆开路电压高，相比于其他材料所制作的蓄电池，能量密度相对较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明通过使用涂覆有氢氧化镍的正极材料，结合全钒、锌溴等电池结构，在正负极之间加装电池隔膜，使电解液在正负极之间分隔，实现了每一节电池可以进行串联的运行模式。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆；单电池包括从左到右依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，正极电解液不流动、充满且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；负极电解液不流动、充满且被密封在负极集流体、负极电极框、负极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正极是以碳毡作为基体、基体一侧表面上涂敷有正极活性物质，正极活性物质组成为氢氧化镍；涂敷有活性物质的一面靠近电池隔膜，负极为柔性电极，正、负电解液，均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。
负极柔性电极为碳毡。
正极活性物质在基体上的涂敷量为0.5g/cm2～1g/cm2。
负极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，负极厚度4-5mm；正极被封闭在电极框内，电极框厚度6-9mm，正极厚度8-10mm。
正、负极电解液中碱为Ba(OH)2、NaOH、KOH、LiOH中的一种或两种以上，溶液中锌离子浓度为0.8mol/L～1mol/L，碱性水溶液浓度为8mol/L～10mol/L。
正、负电解液相同。
电池隔膜为离子传导膜。
电池隔膜为离子传导膜。电池中使用离子交换膜或者多孔传导膜，通过电池内部离子的流动与外电路电子的定向运动构成电流回路。
本发明的有益效果：
本发明针对传统锌镍电池，单电堆内部无法进行单电池串联的问题，通过在正负极之间加离子交换膜，构筑正负极电解液分离的电池体系，使得电池可以在单节基础上进行多节串联，提高单电堆的输出电压，提高电池能量密度以及功率密度。由于蓄电池没有外部电解液流动，相比于锌镍液流电池，减少了管路以及循环泵，降低电池成本，简化电池结构，提高电池能量密度。每节之间正负极电解液不互混，阻止漏电以及短路情况发生。
由于电池正极使用在碳毡基底上涂覆氢氧化镍的方法制作，活性物质量可以自由掌控，使得电池正极容量相比于传统锌镍电池正极大幅提高，导致电池容量大幅提高。通过提高负极电解液中活性物质的浓度，使活性物质的量与正极匹配，从而提高电池容量。
正负极使用同一种电解液，正负极电解液任意互混，可以使电池不受正负极电解液互混而带来的影响，保证电池的循环稳定性。
由于电解液不流动，致使电解液内活性物质被充分使用，相比于锌镍液流电池电解液利用率升高。
附图说明
图1为传统的锌镍液流电池结构示意图；
图2为传统的锌镍液流电池在40mA/cm2下运行电池性能；
图3为本发明的锌镍单液流电池结构示意图，其中1正负极端板；2、正、负极极集流体；3、正、负极电极框以及内部的正、负极；4、离子传导膜；
图4为实施例1组装的锌镍单液流电池在40mA/cm2下运行电池性能。
具体实施方式
对比例1
锌镍液流电池由2节单电池串联而成的电堆，由单电池、正、负极电解液储罐、循环管路、泵组成，单电池包括从左到右依次叠合的正极端板、正极集流体、正极电极框、置于正极电极框内的正极、置于负极电极框中的负极、负极电极框、负极集流体、负极端板；其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有氢氧化镍；负极为沉积型碳毡电极，正负电解液均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。正极活性物质在正极上的涂敷量为0.8g/cm2，负极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度3mm，电极4mm。正极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度8mm,电极10mm。正负极有效面积6*6cm；正极集流体材质为石墨。
正负极电解液中碱为KOH，可溶性锌盐中锌离子浓度为0.8mol/L，碱性水溶液浓度为9mol/L。
电池结构见图1，电池40mA/cm2运行性能指标见图2。
实施例
锌镍蓄电池由2节单电池串联而成的电堆，单电池包括从左到右依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，正负极电解液不流动且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有氢氧化镍；负极为沉积型碳毡电极，正负电解液均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。正极活性物质在正极上的涂敷量为0.8g/cm2，负极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度3mm，电极4mm。正极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度8mm,电极10mm。正负极有效面积6*6cm；正极集流体材质为石墨，
正负极电解液中碱为KOH，可溶性锌盐中锌离子浓度为0.8mol/L，碱性水溶液浓度为9mol/L。
电池隔膜为多孔离子传导膜。
如图4所示，在电流密度为锌镍单液流电池在40mA/cm2的条件下，对比传统锌镍单液流电池性能(能量效率78％左右)，本发明所制作的电池性能(能量效率83％)有明显提高。本发明中，正负极及之间采用加装电池隔膜的方法，相比于传统结构大大缩短了极间距，导致能量效率升高。从电池的循环稳定性来看，本发明所制得的电池，相比于传统结构电池(库伦效率稳定性略有波动)，库伦效率没有衰减，这也证明了电池在经历过初期的活化之后，并没有析氢副反应发生。
测定电池运行过程中电解液的利用率，电解液利用率为电池在充电过程中消耗的活性物质的物质的量/电解液中活性物质总物质的量
电极液利用率测试方法：
1、常温常压下运行电池，通过充放电设备统计电池充电时的充电容量，根据活性物质电子转移数以及单电子带电电量与活性物质摩尔质量的关系，可以推算出电池在充电过程中所消耗的活性物质的物质的量(1)。2、组装电池时，所用的电解液中活性物质的物质的量已知(2)。
3、电解液利用率：(1)/(2)。
通过表中结果可以看出，实施例的锌镍蓄电池电解液内活性物质被充分使用，相比于锌镍液流电池电解液利用率明显升高。
Figure BDA0001841304600000041

Claims (6)

1.一种锌镍蓄电池，其特征在于，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆；单电池包括从左到右依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，正极电解液不流动、充满且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；负极电解液不流动、充满且被密封在负极集流体、负极电极框、负极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正极是以碳毡作为基体、基体一侧表面上涂敷有正极活性物质，正极活性物质组成为氢氧化镍；涂敷有活性物质的一面靠近电池隔膜，负极为碳毡，正、负电解液，均为含可溶性锌盐的碱性水溶液; 电池隔膜为离子传导膜，正、负极集流体为石墨。
2.根据权利要求1所述的锌镍单液流电池，其特征在于：正极活性物质在基体上的涂敷量为0.5g/cm2~1g/cm2。
3.根据权利要求1所述的锌镍液流电池，其特征在于：负极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，负极厚度4-5mm;正极被封闭在电极框内，电极框厚度6-9mm，正极厚度8-10mm。
4.根据权利要求1所述的锌镍液流电池，其特征在于，正、负极电解液中碱为Ba(OH)2、NaOH、KOH、LiOH中的一种或两种以上，溶液中锌离子浓度为0.8mol/L~1mol/L，碱性水溶液浓度为8mol/L~10 mol/L。
5.根据权利要求1所述的锌镍液流电池，其特征在于，正、负电解液相同。
6.根据权利要求1或4所述的锌镍液流电池，其特征在于，可溶性锌盐的碱性水溶液是将氧化锌直接加入碱性水溶液中形成。
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