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Abstract

一种液流电池结构，包括垂直于双极板表面至隔膜的电极结构。电极材料由2层或3层以上的电极层所组成，电极层的材料为碳毡、碳布或者碳纸。电极材料为2层时，不同电极材料层的孔隙率递减。当电极材料为3层以上时，不同电极材料层的孔隙率递减或者先递增后递。本发明通过在垂直于集流板表面至隔膜的方向上，对电极的结构实现有针对性的布置，控制金属沉积的深度和密度来调控沉积型电池负极沉积金属的容量，在避免金属支晶刺穿隔膜，导致电池短路，提高电池容量的同时，提高电池的能量效率。

Description

一种液流电池结构
技术领域
本发明涉及一种液流电池结构，特别涉及液流电池电极结构。
背景技术
伴随着传统化石能源的日渐枯竭和环境污染的日益严峻，各个国家已经逐渐意识到可再生能源将替代化石能源成为主导能源。因此，近几十年来，太阳能、风能的光伏、风机设备大量装备，可再生能源在总能源中的占比越来越高。但是这是可再生能源并不能直接并入电网，因为其不可控、不连续的特点，直接并网往往会给电网造成冲击，甚至使电网瘫痪。因此需要在可再生能源与电网之间增加一种缓冲装置，来平滑可再生能源的输出，使其波动在电网的可接受范围内，有效减小弃风、弃光现象，提升可再生能源的并网时长，真正体现出可再生能源的优势。储能技术是解决上述问题的有效技术手段，并在近十年间取得了长足的进步。其中化学储能收到了非常高的关注度。在众多的化学储能技术中，液流电池因其效率高、响应迅速、设计灵活、生命周期内性价比高等优势，逐渐成为最优潜力的储能技术。由此技术开发的大功率电堆已经发展至百kW级，在此技术上集成出的储能系统规模已达百兆瓦级。
液流电池是由端板、集流板、电极框、电极、隔膜以及之间的密封材料逐一叠加，并通过螺杆压紧密封而成。液流电池的设计重点在于有效的体积内能够释放出更大的能量，对于沉积型液流电池，由于容量和功率并不完全解耦，因此需要在电极内沉积足够的反应物质。众所周知，电池内的大部分电化学反应集中在隔膜的附近的多孔电极区域内发生。沉积型液流电池一般是将金属沉积在多孔电极上，当反应太过于靠近隔膜时，沉积的金属容易生成支晶将隔膜刺穿，造成电池短路。而如果不采用多孔材料作为电极，直接采用空腔的结构，确实可以增大金属沉积量，提高容量，但是电池因内阻过大而效率过低，反而不利于电池的高效运行。因此最好的方法是通过对多孔电极的结构进行调控，控制金属沉积的深度和密度来解决上述容量与性能之间的矛盾。
发明内容
为了解决沉积型电池容量与性能之间的矛盾。本发明提供了一种液流电池的电极结构。
一种液流电池结构，包括位于集流板和隔膜之间的电极结构，其是由2层以上电极材料层叠构成的电极结构。从垂直于集流板表面至隔膜的方向：
当电极材料是由2层组成时，不同电极材料层的孔隙率递减；
当电极材料是由3层以上组成时，不同电极材料层的孔隙率递减、或先递增后递减。
上述电极材料为碳纸、碳毡、碳布中的一种或者二种以上。
上述的电极结构：
当电极材料由3层以上组成，孔隙率递减时，相邻电极材料层电极材料的孔隙率为公差为0.01～0.2的递减等差数列，优选公差为0.05～0.15。
上述电极材料的孔隙率分布的公差指得是：一个数列从第二项起，每一项与它的前一项的差等于同一个常数，这个常数绝对值叫做等差数列的公差。常数为正，该数列为递增等差数列；常数为负，该数列为递减等差数列。
当电极材料由3层以上组成，孔隙率先递增后递减时，相邻电极材料层电极材料的孔隙率为公差0.01～0.1的递增等差数列和公差0.01～0.2的递减等差数列。递增等差数列的优选公差为0.05-0.09，递减等差数列的优选公差为0.05-0.15。
上述的电极结构中：
当电极材料由3层以上组成，孔隙率递减时，相邻电极材料层电极材料的孔隙率各层电极材料层的厚度为公差为0.1-2mm的递减等差数列，优选0.2-1.8mm。
当电极材料由3层以上组成，孔隙率先递增后递减时，相邻电极材料层电极材料的孔隙率为公差0.1-3mm的递增等差数列和公差0.1-2mm的递减等差数列。递增等差数列的优选公差为0.2-2.5mm。递减等差数列的优选公差为0.2-1.8mm。
本发明具有如下优点：
本发明通过在垂直于集流板表面至隔膜的方向上，对电极的结构实现有针对性的布置，控制金属沉积的深度和密度来调控沉积型电池负极沉积金属的容量，在避免金属支晶刺穿隔膜，导致电池短路，提高电池容量的同时，提高电池的能量效率。
附图说明
图1为常规液流电池中的电极结构；
图2为本发明提出的一种液流电池中的电极结构；
图3为本发明提出的另一种液流电池中的电极结构。
具体实施方式
对比例1：
图1为常规液流电池中的电极布置，在集流板和隔膜之间设置有多孔电极材料，其孔隙率均匀分布，孔隙率为0.93。
实施例1
图2为本发明提出的液流电池中的电极结构。为实现孔隙率在垂直于集流板表面方向上的逐级分布，采用不同孔隙率的碳毡分层叠加组装的方式，实现孔隙率的分布。对于沉积型液流电池，由于容量和功率并不完全解耦，因此需要在电极内沉积足够的反应物质。一般来说，电池内的大部分电化学反应集中在隔膜的附近的多孔电极区域内发生。沉积型液流电池一般是将金属沉积在多孔电极上，当反应太过于靠近隔膜时，沉积的金属容易生成支晶将隔膜刺穿，造成电池短路。而如果不采用多孔材料作为电极，直接采用空腔的结构，确实可以增大金属沉积量，提高容量，但是电池因内阻过大而效率过低，反而不利于电池的高效运行。因此最好的方法是通过对多孔电极的结构进行调控，控制金属沉积的深度和密度来解决上述容量与性能之间的矛盾。本发明提出的电极结构就是对电极材料的孔隙率在集流板表面至隔膜的方向上进行调控。通过高孔隙率位置电极比表面积大，反应集中的特点，将金属沉积的深度增大，电极反应位置向集流板方向更多的偏移，来增大金属沉积量，进而提高充放电容量。本实施例中的电池的电极分为四部分。其中电极1#孔隙率0.93、电极2#孔隙率0.88、电极3#孔隙率0.83、电极4#孔隙率0.78(公差为0.05的递减等差数列)，四层电极的厚度均为1.5mm。
采用图1和图2中的两种电极结构组装锌溴液流电池。电池参数如下：电极面积48cm2；工作电流密度40mA/cm2,电解液流速1ml/s。正、负极电解液浓度均为2M溴化锌水溶液。隔膜为多孔膜。采用图1结构的电极厚度为6mm；图1和图2两种电极结构组装的电池性能对比如表1所示。
表1采用图1和图2两种电极结构组装的电池性能对比
Figure BDA0002306139120000051
由表中测试结果可知，在电极孔隙率调整之后，电池的充电容量增大了1倍，而效率仅仅降低了1个百分点。证明了本发明提出的电极结构的有效性。在上述实验条件下对两个电池进行循环稳定性的考察，同为循环100次，图1电极结构组装的电池库仑效率下降至92.1％，电压效率下降至83.8％；图2电极结构组装的电池库仑效率为95.4％，电压效率为86.1％。可以看出，本发明提出的电极结构不仅解决了容量和效率上的矛盾，同时提高了循环稳定性。
循环稳定性考察
对比例2：
图1为常规液流电池中的电极布置，在集流板和隔膜之间设置有多孔电极材料，其孔隙率均匀分布，孔隙率为0.93。
实施例2
图3为本发明提出的另一种液流电池中的电极结构。为实现孔隙率在垂直于集流板表面方向上的分布调控，采用不同孔隙率的碳毡分层叠加组装的方式，实现孔隙率的分布。对于沉积型液流电池，由于容量和功率并不完全解耦，因此需要在电极内沉积足够的反应物质。一般来说，电池内的大部分电化学反应集中在隔膜的附近的多孔电极区域内发生。沉积型液流电池一般是将金属沉积在多孔电极上，当反应太过于靠近隔膜时，沉积的金属容易生成支晶将隔膜刺穿，造成电池短路。而如果不采用多孔材料作为电极，直接采用空腔的结构，确实可以增大金属沉积量，提高容量，但是电池因内阻过大而效率过低，反而不利于电池的高效运行。因此最好的方法是通过对多孔电极的结构进行调控，控制金属沉积的深度和密度来解决上述容量与性能之间的矛盾。本发明提出的电极结构就是对电极材料的孔隙率在集流板表面至隔膜的方向上进行调控。通过高孔隙率位置电极比表面积大，反应集中的特点，将金属沉积的深度增大，电极反应位置向集流板方向更多的偏移，来增大金属沉积量，进而提高充放电容量。在此基础上，更加优化集流板表面至隔膜之间的电极孔隙率的分布，即电极孔隙率先递增再递减。孔隙率的极大值可根据设计容量设置在集流板与隔膜之间，为减小电极电阻，提高电池性能，孔隙率极大值至集流板和隔膜两个方向上的孔隙率递减。
本实施例中的电池的电极分为五部分。其中电极1#孔隙率0.85、电极2#孔隙率0.93、电极3#孔隙率0.88、电极4#孔隙率0.83(公差为0.05的递减等差数列)，五层电极的厚度均为1.5mm。
采用图1和图3中的两种电极结构组装锌溴液流电池。电池参数如下：电极面积48cm2；工作电流密度40mA/cm2,电解液流速1ml/s。正、负极电解液浓度均为2M溴化锌水溶液。隔膜为多孔膜。采用图1结构的电极厚度为7.5mm；图1和图3两种电极结构组装的电池性能对比如表2所示。
表2采用图1和图3两种电极结构组装的电池性能对比
Figure BDA0002306139120000071
Figure BDA0002306139120000081
由表中测试结果可知，在电极孔隙率采用先递增后递减布置后，不仅电池的充电容量增大了1倍，而且效率提高了1个百分点。证明了本发明提出的电极结构的有效性。同样在上述实验条件下对两个电池进行循环稳定性的考察，同为循环100次，图1电极结构组装的电池库仑效率下降至92.1％，电压效率下降至83.8％；图3电极结构组装的电池库仑效率为96.5％，电压效率为86.5％。可以看出，本发明提出的电极结构提高了循环稳定性。

Claims (3)

1.一种电极结构在沉积型液流电池中的应用，包括位于集流板和隔膜之间的电极结构，其特征在于：
所述电极结构是由3层以上电极材料层叠构成的电极结构；
从垂直于集流板表面至离子传导膜的方向，
3层以上电极材料层，不同电极材料层的孔隙率先递增后递减，相邻电极材料层电极材料的孔隙率为公差0.01~0.1的递增等差数列和公差0.01~0.2的递减等差数列。
2.按照权利要求1所述电极结构在沉积型液流电池中的应用，其特征在于：
所述电极材料为碳纸、碳毡、碳布中的一种或者二种以上。
3.按照权利要求1所述电极结构在沉积型液流电池中的应用，其特征在于：
所述3层以上电极材料层，孔隙率先递增后递减，相邻电极材料层电极材料的孔隙率为公差0.05-0.09的递增等差数列和公差0.05-0.15的递减等差数列。
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