CN113036197A - 一种锌-溴液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锌‑溴液流电池，在电池负极与隔膜之间添加隔离框，该隔离框包括第一表面和与之相反的第二表面；第一表面由肋条与肋条之间形成的孔构成，第二表面由位于第一表面肋条之间交叉部分的凸起构成；第一表面的孔贯穿第二表面。该隔离框具有结构简单、成本低廉、可操作性强等优势，可有效的提升电池的面容量和高面容量条件下的循环稳定性。

Description

一种锌-溴液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池。具体地，尽管不是排他地，本发明涉及液流电池的结构设计。
背景技术
随着社会的飞速发展，人们对能源的需求持续增长，化石能源的大量消耗带来能源短缺和严重的生态环境问题。加快推动能源革命，普及应用可再生能源(如风能、太阳能等)，对于促进人类可持续发展具有重要的意义。但是，可再生能源具有明显的间歇性、不稳定性和不可控的特点，直接并入电网或直接供给用户端使用是难度很大、非常不便的。利用电化学储能装置提供电能的中继存储服务是一个非常好的选择。液流电池因其具有高的循环效率、长的循环寿命、良好的经济性、优异的安全性及其地理位置的灵活性，受到世界范围内的广泛关注且大量的示范项目已经投入使用。
在诸多的水系液流电池体系中，锌-溴液流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。
Figure BDA0002308982490000011
Figure BDA0002308982490000012
图1示出根据现有技术的基本的锌-溴液流电池100。锌-溴电池100包括负极电解液储存装置101和流通路径103，由电解液循环泵102提供电解液的循环动力。负极电解液中含有活性化学物质锌离子。负极电解液流经电化学反应场所电池负极107，充放电电流流经负极集流体109。正极电解液储存装置104和流通路径106，由电解液循环泵105提供电解液的循环动力。正极电解液中含有活性化学物质溴离子。正极电解液流经电化学反应场所电池正极108，充放电电流流经负极集流体110。负极电解液的循环路径103与正极电解液的循环路径106相互独立。隔膜111用于分隔正负极的物理导通与防止正负极电解液的互混。为进一步提升锌-溴液流电池的能量密度，简化电池结构与有效的密封充电过程中生成的溴，现有技术也将其简化为锌-溴单液流电池200(图2)。相比于基本的锌-溴液流电池100结构，锌-溴单液流电池将不含有正极电解液储存装置104、正极电解液循环路径106与正极电解液循环泵105。两种结构中发生的电化学反应是相同的。
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。负极电解液储存装置101中的具有活性的化学物质锌离子随电解液的循环路径103到达负极表面电化学还原成金属锌。负极电解液浓度降低，负极107上形成金属锌层，且该金属锌层形成于负极107与隔膜111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107上所形成的锌层经电化学氧化生成锌离子，经电解液的循环路径103将溶解于电解液中的锌离子带回到负极电解液储存装置101，使电解液浓度复原。如此循环往复。
为了获得高电压，锌-溴液流电池100与200还可以连接成双极型布置连接的单电池堆叠，单电池堆叠生成的总电压高于各个电池的电压。
就锌-溴液流电池100与锌-溴单液流电池200的负极侧而言，当负极面容量提高的情况下，现有技术的问题在于：
1)在负极109与隔膜111之间生成大量的锌将会将隔膜堵塞；
2)在负极109与隔膜111之间生成大量的锌将会将阻碍负极电解液在有效电极区域的扩散；
3)在负极109与隔膜111之间生成大量的锌将会增加锌枝晶刺破隔膜的风险；
4)在负极109与隔膜111之间，没有足够的可供锌沉积的空间。
因此，需要克服或减轻与现有技术的锌-溴液流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-溴液流电池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。
第一隔离框元件，位于第一表面上；以及第二隔离框元件，位于第二表面上。
其中第一隔离框元件与第二隔框元件直接接触。
其中第一隔离框元件由肋条与孔组成。
其中肋条与肋条之间相互交叉支撑可形成一体化整体。
其中孔分布于肋条之间，并贯穿第二表面。
优选地，肋条与肋条之间形成的孔为正方型孔。
第二表面由凸起结构构成，位于第一表面肋条于肋条的交叉处。
优选地，凸起结构为圆柱形。
优选地，凸起结构在第一表面的投影不大于肋条与肋条交叉形成的面积。
优选地，凸起结构位于肋条与肋条交叉处中心位置。
在隔离框边缘或角部位，凸起的形状不局限于圆柱体，可根据边缘与角的形状改变，使之边缘形状一致。
优选地，第一表面面向隔膜111放置；第二表面面向负极107放置。
本发明的有益效果
1)能够防止所生成的大量的锌堵塞隔膜而导致的隔膜失效；
2)能够保证负极电解液流经电极的有效表面；
3)可以降低锌枝晶生成而刺破隔膜导致隔膜失效的风险；
4)为大量的锌生成提供更大的空间。
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使用，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示出根据现有技术基本的锌-溴液流电池；
图2示出根据现有技术基本的锌-溴单液流电池；
图3示出根据本发明的实施方式用于分隔负极与隔膜的隔离框300的立体图；
图4示出图3的隔离框使用方法的平面图；
图5示出图3的隔离框使用方法的立体图；
图6示出使用图3隔离框的锌-溴液流电池的电池性能；
图7示出按照图4与图5的方式使用隔离框的锌-溴电池性能。
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-溴液流电池的隔离框部件。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成与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-溴液流电池的隔离框，该隔离框包括第一表面和与之相反的第二表面；第一表面由肋条与肋条之间形成的孔构成，第二表面由位于第一表面肋条之间交叉部分的凸起构成；第一表面的孔贯穿第二表面。
负极电极框中部带有与平板状负极形状和尺寸相同的通孔A，所述隔离框为平板状结构，其形状和尺寸与通孔A平行于负极电极框表面的截面的形状和尺寸相同，负极和隔离框置于通孔A内，隔离框位于负极和隔膜之间；所述隔离框的表面均布有通孔，相邻通孔间通过肋条间隔，通孔平行于隔离框板面的截面积为隔离框板面面积的4/225，且所有通孔平行于隔离框板面的截面积之和为隔离框板面面积的64％；于靠近负极一侧的隔离框表面的肋条上均布有突起。
所述隔离框为矩形平板，于矩形平板的上沿横向均布有6行的通孔行，每行通孔行上均由均布的6个正方型通孔；通孔间由横纵交错的肋条相间隔，于横向和纵向肋条上及矩形平板四周边缘处均匀设有凸起。
于横向肋条和纵向肋条交叉处的中心位置肋条上及矩形平板四周边缘处均匀设有凸起，凸起结构为圆柱形。
在隔离框边缘部分为二分之一圆柱体，在角的部分为四分之一圆柱体。
图3示出根据本发明的实施方式用于分隔负极与隔膜的隔离框的立体图；图4示出图3的隔离框使用方法的平面图；图5示出图3的隔离框使用方法的立体图。
用于锌-溴电池的隔离框的材质为聚丙烯。
对比例
图6为不使用隔离框现有技术的锌-溴液流电池。其具体的组装方式为：正负极使用36cm2、厚度为6mm的碳毡作为正负极电极；隔膜使用Daramic膜；正负极分别使用100mL电解液，其电解液的组成为0.8M MEP、2M ZnBr2、3M KCl。40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h。结果表明：库伦效率波动很大，前期库伦效率高于后期，是因为电池无法进行两个小时的充电；后期虽然可以充电两个小时，但是，库伦效率下降。平均效率为87.7％，只能进行9次循环。
实施例
图7为使用隔离框的锌-溴液流电池。其具体的组装方式为：正负极使用36cm2碳毡作为正负极电极，正极厚度为6mm的，负极厚度为3mm；隔膜使用Daramic膜；正负极分别使用100mL电解液，其电解液的组成为0.8M MEP、2M ZnBr2、3M KCl。40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h。结果表明：库伦效率保持平稳，平均库伦效率为96.8％，充电可以进行2h，充电容量保持在2880mAh。可以稳定循环40次。

Claims (8)

1.一种锌-溴液流电池，其特征在于：锌-溴液流电池包括一节单电池或由二节以上电池串联或并联而成的电池组，单电池包括正极集流板、正极电极框、正极、隔膜、负极、负极电极框、负极集流板，其特征在于：负极电极框中部带有与平板状负极形状和尺寸相同的通孔A；隔离框为平板状结构，其形状和尺寸与通孔A平行于负极电极框表面的截面的形状和尺寸相同，负极和隔离框置于通孔A内，隔离框位于负极和隔膜之间；所述隔离框的表面均布有通孔，相邻通孔间通过肋条间隔，通孔平行于隔离框板面的截面积为隔离框板面面积的1/20-1/200(优选1/50-1/100)，且所有通孔平行于隔离框板面的截面积之和为隔离框板面面积的40-90％(优选60-70％)；于靠近负极一侧的隔离框表面的肋条上均布有突起。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极为矩形，所述隔离框为矩形平板，于矩形平板的上沿横向均布有5行以上的通孔行，每行通孔行上均由均布的5个以上矩形通孔(优选正方型通孔)构成；通孔间由横纵交错的肋条相间隔，于横向和纵向肋条上及矩形平板四周边缘处均匀设有凸起。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于：
于横向肋条和纵向肋条交叉处的中心位置肋条上及矩形平板四周边缘处均匀设有凸起。
4.根据权利要求2或3所述的电池，其特征在于：凸起结构为圆柱形。
5.根据权利要求2或3所述的电池，其特征在于：凸起结构在隔离框表面的投影不大于肋条与肋条交叉形成的面积。
6.根据权利要求2或3所述的电池，其特征在于：
在隔离框边缘或角部位，凸起的形状不局限于圆柱体，可根据边缘与角的形状改变，使之边缘形状一致。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：电池由一节单电池或二节以上电池串联而成的电池组、电解液储存罐、循环泵和循环管路组成。
8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：正极电极框、负极电极框、负极支撑格栅材料选用PVC聚氯乙烯。
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