CN113036170B

CN113036170B - 一种锌-溴电池

Info

Publication number: CN113036170B
Application number: CN201911250779.1A
Authority: CN
Inventors: 李先锋; 尹彦斌; 张华民
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN113036170A

Abstract

本发明涉及锌‑溴电池，在负极碳毡与隔膜之间，增设隔离框。该隔离框具有确保碳毡与隔膜之间有足够的空间供金属锌的电化学沉积的最用；该隔离框的边缘部分设有防止隔膜形变的支撑结构；且该隔离框具有引导电解液高通量流经电极的活性表面的导流作用。该隔离框包括分隔与导流结构与隔膜支撑结构。该隔离框具有结构简单、加工方便、成本低廉，可有效提高电池组的能量密度，提升电池组的循环稳定性。

Description

一种锌-溴电池

技术领域

本发明涉及锌溴电池。具体地，尽管不是排他地，本发明涉及锌溴电池的结构设计。

背景技术

传统化石能源的快速消耗带来了沉重的能源安全与环境保护的压力。可再生能源的利用是未来的发展趋势。但是可再生能源具有不稳定性与间歇性的特点，这就要求在其利用的过程中必须要配备一种兼具经济型、安全性与高效性的储能系统。

水系电池具有成本低与安全性高等特点。在诸多的水系电池体系中，锌-溴电池拥有相对较高的能量密度、快速的动力学、良好的循环稳定性、丰富的储量及较低的成本，具有明显的竞争优势。其充电反应为方程(1)与(2)的反应，放电则为它们的逆反应。

在充电期间，负极测半电池中的化学反应可根据反应式(1)的正向反应来描述。负极上形成金属锌层，且该金属锌层形成于负极与隔膜之间。在放电期间，负极半电池中的电化学反应可以用反应式(1)的逆反应来描述。在负极上所形成的锌层经电化学氧化生成锌离子，使电解液浓度复原。如此循环往复。

就锌-溴电池负极侧而言，限制其能量密度的提升的关键问题在于：

1)在负极碳毡隔膜之间生成大量的锌将会将隔膜供离子传导的孔道堵塞；

2)在负极碳毡与隔膜之间生成大量的锌以后，电解液在有效电极表面的扩散受阻；

3)在负极碳毡与隔膜之间生成大量的锌将会产生大量的枝晶，使锌枝晶刺破隔膜的风险增加；

4)在负极碳毡与隔膜之间，没有足够的可供锌沉积的空间，使锌-溴电池的面容量受限。

因此，需要克服或减轻与现有技术的锌-溴电池相关的一些上述问题。

本发明一些实施方式的目的是：为研究与生产者提供对上述现有的技术改进和有益效果，和/或克服和减轻现有技术的一个或多个上述缺点，和/或提供有用的商业选择。

发明内容

本发明在于用于锌-溴单电池及电池组中分隔负极与隔膜的隔离框，该隔离框包括：

具有第一表面和与该第一表面相反的第二表面。

其中第一表面面向隔膜，任何元件结构构成平面，无尖锐突出结构；第二表面面向负极集流板。

具有第一结构部分与第二结构部分，其中第一结构部分位于第二结构部分中间，其完整性由第二结构部分承担；其中第二结构部分位于第一结构部分两端，连接第一结构部分使之构成整体。

其中第一结构部分由均匀分布的肋条101构成，肋条101与肋条101之间留有空隙，肋条101两端连接第二结构部分中的板材102；

优选地，肋条101之间的空隙形成通孔，贯穿于第一于第二表面；

优选地，第一结构部分为长方体条状结构；

第二结构部分由板材102与在上面均匀排布的凸起103构成；

优选地，板材102的形状由电极框决定，为等腰梯形；

优选地，凸起103结构为立方体均匀排布的阵列结构。

优选地，板材102等腰梯形平行的长边厚度大于平行短边方向上的厚度；

该隔离框置于电极框中，第一表面面向隔膜，第二表面面向负极碳毡，夹在隔膜与负极碳毡中间使用。

本发明的有益效果

本发明在于用于锌-溴电池分隔负极与隔膜的隔离框，该隔离框包括：

本发明的有益效果

1)可有效的防止电化学沉积在负极上的锌堵塞隔膜而导致隔膜失效；

2)可以有效的引导电解液高通量的流经电极有效反应表面；

3)负极和隔膜之间形成缓冲空间，尽量避免沉积的锌和隔膜接触，减小枝晶刺破隔膜的风险；

4)锌有足够的空间沉积，可以保证锌溴电池循环稳定性与能量密度的提高；

5)可以减少电解液流经电极表面的阻力；

6)可以防止电池组在组装的过程中发生的隔膜受压变形而引起的电解液分布不均匀。

附图说明

为了帮助理解本发明以及使本领域技术人员能够将本发明投入实际应用，下面参照附图仅通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出隔离框与电极框放置的相对位置及其形状；

图2示出隔离框的第一表面与第二表面的结构细节；

图3示出隔离框的截面结构；

图4示出隔离框在电池组中的相对位置；

图5示出锌溴电池组的结构示意图；

图6示出使用隔离框的电池组的充放电循环性能。

图中：101:第一结构部分肋条；102:第二结构部分条状体；103:第二结构部分凸台；1.隔离框；2.负极框；3.正极框；4.隔膜；5.负极碳毡；6.正极碳毡。本领域技术人员将理解，与如附图所示的部件布局发生少量偏差将无损于本发明公开实施方式的正常功能。

具体实施方式

本发明的实施方式包括用于锌溴电池的隔离框部件。在附图中，本发明的部件以简要轮廓形式示出，这些简要轮廓仅示出理解本发明实施方式所需的那些具体细节，因此不会以根据本说明书对于本领域技术普通技术人员将显而易见的过多细节来混淆本公开。

在该专利说明书中，诸如第一和第二等形容词仅用于将一个元件限定于另一个元件或方法步骤区分开，而不必要求该形容词所描述的具体相对位置或顺序。

本发明涉及用于锌溴电池的隔离框，该隔离框包括第一表面与和与之相反的第二表面，其中第一表面为接触隔膜的平面；该隔离框包括第一结构部分与第二结构部分，其中第一结构部分为分隔负极碳毡与隔膜、导流部件；第二结构部分为隔膜支撑部件。该隔离框用于负极电极框中负极碳毡与隔膜之间。负极电极框的通孔中部为长方形，长方形的上下二侧均设有等腰梯形的上边通孔和下边通孔，等腰梯形通孔的下底边与长方形的对应边重合且长度相等。

于负极框的通孔中设有分隔负极与隔膜的板状隔离框结构；隔离框板体表面的形状和尺寸与负极电极框的通孔平行于隔膜表面方向的截面的形状和尺寸相同或相匹配。

所述隔离框为板状栅格结构，板面的二侧分别为第一表面与第二表面；其中第一表面为接触隔膜的平面，第二表面面向负极的平面；所述隔离框分为第一结构部分与第二结构部分。

第二结构部分为二个平行间隔设置的条状体，分别位于隔离框上下二侧，与负极电极框通孔下边通孔和上边通孔的形状和尺寸相同或相匹配的等腰梯形条。

其中第一结构部分由平行间隔均匀排布的长条状肋条构成，肋条两端分别与2个条状体相连接，相邻肋条之间留有空隙；其中每根肋条在负极碳毡方向上的投影面积占碳毡总面积的1.1％，所有肋条在负极碳毡方向上总的投影面积占碳毡总面积的20.9％；

第二结构部分在负极集流板方向的投影为等腰梯形，两平行边的距离(等腰梯形的高)为17毫米；等腰梯形的钝角角度为141°；等腰梯形条的厚度为1毫米；等腰梯形下底边一侧的厚度比上底边一侧的厚度大0.75毫米。

在第二结构部分面向集流板方向设有从左至右均匀沿直线排布的凸台，位置距等腰梯形上底边的距离为5毫米；每个凸台结构在负极集流板方向上的投影面积占等腰梯形条在负极集流板上的投影面积的0.22％，所有凸台结构在负极集流板方向上的投影总面积占等腰梯形在负极集流板上的投影面积的3.4％。

所述负极电极框的通孔中部为长方形，负极也为长方形，通孔处的长方形与负极平行于隔膜表面方向的截面的形状和尺寸相同或相匹配。

所述正极电极框的通孔为长方形；正极也为长方形，正极和负极平行于隔膜表面方向的截面的形状和尺寸相同或相匹配。

电池组装后，所述凸台远离等腰梯形条一侧与负极集流板相抵接。

所述第一表面为一平行于隔膜表面的平面。

长条状肋条形状为长方体；凸台的形状为立方体。

在隔离框边缘或角的部位，根据边缘与角的形状的具体加工成圆弧形倒角。

图1示出隔离框与电极框放置的相对位置及其形状；图2示出隔离框的第一表面与第二表面的结构细节；图3示出隔离框的截面结构；图4示出隔离框在电池组中的相对位置。

用于锌溴电池隔离框的材质为聚丙烯。

实施例

使用本发明中描述的隔离框，按照本发明描述的组装方法组装锌溴电池组。其具体的组装方式为：每节单电池中，负极碳毡面积为800cm²，负极碳毡厚度为3mm；正极碳毡电极面积为800cm²，正极碳毡厚度为6mm；隔膜为Daramic膜，电解液的组成为0.8M MEP、2MZnBr₂与3M KCl。该电池组由10节上述单电池串联组成，如图5所示。恒功率500W充电2h；恒功率500W放电，放电末期改为100W放电。电池组性能如图6所示，可稳定循环至少20次，放电容量平均值为47.6Ah，平均库伦效率为91.8％。

对比例

不使用该隔离框及所描述的方法组装电池组。其具体的组装方式为：每节单电池中，负极碳毡面积为800cm²，负极碳毡厚度为6mm；正极碳毡电极面积为800cm²，正极碳毡厚度为6mm；隔膜为Daramic膜，电解液的组成为0.8M MEP、2M ZnBr₂与3M KCl。该电池组由10节上述单电池串联组成。恒功率500W充电2h；恒功率500W放电，放电末期改为100W放电。电池首次充电末期，电压先上升后下降，随后的充电曲线也出现类似情况，平均库伦效率低于88％。

Claims

1.一种锌-溴电池，其特征在于：锌-溴电池包括一节单电池或由二节以上单电池串联和/或并联而成的电池组，单电池包括依次层叠的正极集流板、中部带通孔的正极电极框、置于正极电极框通孔内的正极、隔膜、置于负极电极框通孔内的负极、中部带通孔的负极电极框、负极集流板，其特征在于：

所述负极电极框的通孔中部为长方形，长方形的上下二侧均设有等腰梯形的上边通孔和倒等腰梯形的下边通孔，等腰梯形通孔的下底边与长方形的对应边重合且长度相等；

于负极框的通孔中设有分隔负极与隔膜的板状隔离框结构；隔离框板体表面的形状和尺寸与负极电极框的通孔平行于隔膜表面方向的截面的形状和尺寸相同或相匹配；

所述隔离框为板状栅格结构，板面的二侧分别为第一表面与第二表面；其中第一表面为接触隔膜的平面，第二表面面向负极的平面；所述隔离框分为第一结构部分与第二结构部分；

第二结构部分为二个平行间隔设置的条状体，分别位于隔离框上下二侧，与负极电极框通孔下边通孔和上边通孔的形状和尺寸相同或相匹配的等腰梯形条；

其中第一结构部分由平行间隔均匀排布的长条状肋条构成，肋条两端分别与2个条状体相连接，相邻肋条之间留有空隙；其中每根肋条在负极碳毡方向上的投影面积占碳毡总面积的0.2-3%，所有肋条在负极碳毡方向上总的投影面积占碳毡总面积的3.8-57%；

第二结构部分在负极集流板方向的投影为等腰梯形或倒等腰梯形，两平行边的距离或等腰梯形的高为3-30毫米；等腰梯形的钝角角度为100-170^o；等腰梯形条的厚度为0.5-3毫米；等腰梯形下底边一侧的厚度比上底边一侧的厚度大0-1毫米；当下底边一侧与上底边一侧厚度差大于0时,等腰梯形下底边一侧的厚度与上底边一侧的厚度不同，使第二表面形成一与隔膜表面相倾斜的平面；

在第二结构部分面向集流板方向设有从左至右均匀沿直线排布的凸台，位置距等腰梯形上底边的距离为0-25毫米；每个凸台结构在负极集流板方向上的投影面积占等腰梯形条在负极集流板上的投影面积的0.05%-0.4%，所有凸台结构在负极集流板方向上的投影总面积占等腰梯形在负极集流板上的投影面积的0.8-7%。

2.根据权利要求1所述的锌-溴电池，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述的锌-溴电池，其特征在于：所述正极电极框的通孔为长方形；正极也为长方形，正极和负极平行于隔膜表面方向的截面的形状和尺寸相同或相匹配。

4.根据权利要求1所述的锌-溴电池，其特征在于：电池组装后，所述凸台远离等腰梯形条一侧与负极集流板相抵接。

5.根据权利要求1所述的锌-溴电池，其特征在于：所述第一表面为一平行于隔膜表面的平面。

6.根据权利要求1或5所述的锌-溴电池，其特征在于：长条状肋条形状是圆柱体、长方体、棱柱体等结构中的一种或二种以上。

7.根据权利要求1或4所述的锌-溴电池，其特征在于：凸台的形状是长方体、立方体、圆柱体、圆台体、棱台及其他异性结构中的一种或二种以上。

8.根据权利要求1所述的锌-溴电池，其特征在于：在隔离框边缘或角的部位，根据边缘与角的形状的具体加工成圆弧形倒角。

9.根据权利要求1所述的锌-溴电池，其特征在于：

第一结构部分由平行间隔均匀排布的长条状肋条构成，肋条两端分别与2个条状体相连接，相邻肋条之间留有空隙；其中每根肋条在负极碳毡方向上的投影面积占碳毡总面积的0.5-1.5%，所有肋条在负极碳毡方向上总的投影面积占碳毡总面积的9.5-28%；

第二结构部分在负极集流板方向的投影为等腰梯形或倒等腰梯形，两平行边的距离或等腰梯形的高为10-25毫米；等腰梯形的钝角角度为130-160^o；等腰梯形条的厚度为0.8-2毫米；等腰梯形下底边一侧的厚度比上底边一侧的厚度为0.5-1毫米；当下底边一侧与上底边一侧厚度差大于0时,等腰梯形下底边一侧的厚度与上底边一侧的厚度不同，使第二表面形成一与隔膜表面相倾斜的平面；

在第二结构部分面向集流板方向设有从左至右均匀沿直线排布的凸台，位置距等腰梯形上底边的距离为3-10毫米；每个凸台结构在负极集流板方向上的投影面积占等腰梯形条在负极集流板上的投影面积的0.1%-0.3%，所有凸台结构在负极集流板方向上的投影总面积占等腰梯形在负极集流板上的投影面积的1.6-4.8%。