CN114497616B - 一种锌溴蓄电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锌溴蓄电池，电池为单电池或电池组，电池主要包括盒体、正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体，电池组由2节或2节以上单电池串联而成，通过在电池内部设置非导电区，并在非反应区内添加电解液的方式，提高锌溴蓄电池高面容量下稳定性，提高电池能量密度及使用寿命。

Description

一种锌溴蓄电池
技术领域
本发明涉及一种锌溴蓄电池。
技术背景
锌溴液流电池(zinc bromine flow battery,ZBB)是一种能量转换效率高、能量密度高(理论能量密度435wh/kg)、关键材料(隔膜、电解液)价格便宜的液流储能电池，广泛应用于风能、太阳能等可再生能源发电、电网调峰调频、通信基站等领域，由于其系统成本价格便宜，循环使用寿命长使其成为大规模储能技术首选技术之一。锌溴液流电池通过正负极间活性物质的氧化还原反应实现电能与化学能之间的相互转换，在其工作过程中正负极均需要循环泵使电解液循环流动。循环泵、储液罐及管路的使用，增加了锌溴电池系统成本、降低系统整体能量转换效率和能量密度，也使得系统结构更加复杂，不利于其小型化。
锌溴蓄电池无需循环泵与管路，电池系统结构更加简单，相同面容量下电池可以获得更高的能量密度，系统成本也更加便宜，与锌溴液流电池相比成本上更有优势。但锌溴蓄电池电解液在电池放置过程中活性物质由于重力作用会沉积于电池底部，从而使电池上部处于贫液状态，在充电过程中，电池上部由于活性物质不足，极易生成锌晶，将隔膜刺穿，从而影响电池使用寿命。此外，由于锌主要沉积在电极靠近隔膜一侧，随着面容量的提高，沉积的锌会越来越致密，影响电极活性物质向电极表面的扩散，最终导致电池电压迅速升高，达到保护电压上限。因此，这也限制了锌溴蓄电池的面容量，影响电池能量密度提升。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种锌溴蓄电池，电池为单电池或电池组，电池主要包括盒体、正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体，电池组由2节或2节以上单电池串联而成，通过在电池内部设置非导电区，并在非导电区内添加电解液的方式，提高锌溴蓄电池高面容量下稳定性，提高电池能量密度及使用寿命。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
电池由盒体、正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体组成，电池组由一节或一节以上单电池串联而成。
正负极电极材料均为活性炭毡。
单电池正负极集流体石墨板，电池组正极侧及负极侧第一片集流体为石墨板，其它集流体均为碳素复合板，碳塑复合板厚度为0.5-1mm。集流体靠近极耳侧均设有一定面积的非导电区。非导电区通过在集流体表面增加不导电涂层实现，不导电涂层为不导电胶或胶带。非导电区内充满电解液。
电解液中ZnBr2浓度为1-5M，KCl浓度为1-5M，溴化N-乙基，甲基吡咯烷浓度为0.1-1M。
碳塑复合板集流体中塑料成分为聚乙烯，碳塑复合板厚度为0.5-1mm。电池隔膜为聚乙烯材质微孔膜，隔膜厚度200-900um。盒体材质为聚乙烯塑料。
盒体内除石墨板集流体外，隔膜及碳塑复合板密封方式为密封胶密封，盒体放置隔膜及碳塑复合板相应位置四周留有沟槽，沟槽宽度与所采用隔膜及碳塑复合板厚度相同。
本发明的有益效果：
通过在电池内部设置非导电区，并在非导电区内添加电解液的方式，解决锌溴蓄电池由于贫液对电池使用寿命的影响及面容量受限问题，从而提高电池循环寿命及能量密度。
附图说明
图1为本发明的锌溴蓄电池结构示意图；
其中1为电池盒体，2正极集流板，3负极集流板，4双极板，5隔膜，6碳毡
图2为实施例1和对比例1组装的锌溴蓄电池测试的充放电曲线；
图3为实施例1和对比例1组装的锌溴蓄电池循环性能
具体实施方式
实施例1
将正负极碳毡电极浸泡于2mol/LZnBr2+3mol/LKCl+0.8MMEP中10min，用该电极进行电池组组装，电堆由盒体，盒体内依次竖直放置的(宽*高)正极10*10cm2石墨板(正极集流体)、10*8cm2碳毡(正极)、隔膜、10*8cm2碳毡(负极)、10*10cm2碳塑复合板(双极板)、10*8cm2碳毡(正极)、隔膜、10*8cm2碳毡(负极)、负极10*10cm2石墨板(负极集流体)组成。隔膜为PE微孔膜，平均孔径0.1um,厚度900um。
隔膜和双极板的四周边缘分别与盒体内壁面密闭连接，隔膜和双极板将盒体内分隔成2倍单电池节数的互不连通的腔室，腔室内分别充满电解液；
于正极集流体和负极集流体和双极板上端部分设有相同高度的非导电区。
非导电区采用胶带粘贴层密封，非导电区面积为10*2cm2(高度2cm)，非导电区内也充满电解液。工作电流密度20mA/cm2，充电4h。电池能量密度为30Wh/kg。
实施例2
同实施例1组装锌溴蓄电池，与实施例1不同之处在于，设置非导电区面积为10*1cm2(高度1cm)，电池能量密度为40Wh/kg。
实施例3
同实施例1组装锌溴蓄电池，与实施例1不同之处在于，设置非导电区面积为10*0.5cm2(高度0.5cm)，电池能量密度为50Wh/kg。非导电区占比越小，电池能量密度越高。
对比例1
电池组装同实施例1，与实施例1不同之处在于，电池内不设有非导电区。相同条件进行充放电曲线测试。
从图2充放电曲线可以看出，有非导电区电池组充放电曲线正常，未有非导电区电池在充电3.4h时出现充电电压下降现象，通过拆解电池发现，这主要是由于有锌枝晶将隔膜刺穿所致，这也导致电池放电电压与有非导电区电池组相比偏低，放电容量减小。可见，增加非导电区后电池面容量得到提高。采用带有非导电区电池组电池能量密度可达30Wh/kg,而采用未有非导电区电池组能量密度为20Wh/kg。
从图3中可以看出，对比例1未有非导电区电池运行400循环后，电池性能逐渐下降，而实施例1带有非导电区电池在运行800循环后电池仍然稳定性较好，循环寿命较未有非导电区电池提高1倍以上。
对比例2
同实施例1组装锌溴蓄电池，与实施例1不同之处在于，设置非导电区面积为10*3cm2(高度3cm)，电池能量密度为25Wh/kg。
对比例3
同实施例1组装锌溴蓄电池，与实施例1不同之处在于，设置非导电区面积为10*0.4cm2(高度0.4cm)，电池能量密度为51Wh/kg,但电池循环性能差，450循环后电池性能骤降，出现锌枝晶将隔膜刺穿现象。

Claims (11)

1.一种锌溴蓄电池，包括一节单电池或由二节以上单电池经双极板间隔串联而成的电堆；单电池或电堆置于一密闭中空盒体内；
单电池包括层叠的正极集流体和负极集流体，以及处于正极集流体和负极集流体之间按顺序依次层叠的正极、隔膜、负极,形成正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体顺序依次层叠的结构；
单电池隔膜沿竖向设置于盒体内，隔膜沿垂直于水平面的设置，隔膜四周边缘分别与盒体内壁面密闭连接，隔膜将盒体内分隔成互不连通的腔室，腔室内分别充满电解液；
电堆包括层叠的正极集流体和负极集流体，以及处于正极集流体和负极集流体之间按顺序依次层叠的由双极板间隔的正极、隔膜、负极；
电堆隔膜和双极板沿竖向设置于盒体内，隔膜和双极板沿垂直于水平面的设置，隔膜和双极板的四周边缘分别与盒体内壁面密闭连接，隔膜和双极板将盒体内分隔成2倍单电池节数的互不连通的腔室，腔室内分别充满电解液；
其特征在于：
对于单电池，于正极集流体和负极集流体面向电极一侧表面上端部分设有一定高度的非导电区，下部为导电区；
对于电堆，于正极集流体、负极集流体面向电极一侧表面上端部分设有一定高度的非导电区，以及双极板两侧表面上端部分设有一定高度的非导电区，下部为导电区。
2.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，正极集流体和负极集流体上的非导电区通过在集流体面向电极一侧表面增加不导电层实现，或双极板两侧表面上的非导电区通过在双极板两侧表面增加不导电层实现；不导电层为不导电胶涂层或胶带粘贴层。
3.根据权利要求1或2所述锌溴蓄电池，其特征在于，非导电区高度为垂直于水平面的方向集流体或双极板高度的1/20-1/5；非导电区宽度与电极的平行于水平面的方向的宽度相同；
池初始运行时，电解液充满非导电区；对于单电池，正、负极集流体均设有相同高度的非导电区；对于电堆，正、负极集流体和双极板均设有相同高度的非导电区。
4.根据权利要求3所述锌溴蓄电池，其特征在于，非导电区高度为垂直于水平面的方向集流体或双极板高度的1/20-1/10。
5.根据权利要求3所述锌溴蓄电池，其特征在于，电极的高度与正、负极集流体导电区的高度相同，电极与正、负极集流体导电区相向设置。
6.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，电解液中ZnBr2浓度为1-5M，KCl浓度为1-5M，溴化N-乙基,甲基吡咯烷（MEP）浓度为0.1-1M。
7.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，正、负极集流体为石墨板，双极板为碳素复合板。
8.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，盒体内隔膜和双极板密封方式与盒体内壁面之间的密封为胶密封，盒体放置隔膜及双极板的相应四周内壁面留有沟槽，沟槽宽度与所采用隔膜及碳塑复合板厚度相同；
盒体材质为聚乙烯塑料。
9.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，正、负极材料均为活性炭毡。
10.根据权利要求1或7所述锌溴蓄电池，其特征在于，双极板中含有聚乙烯，双极板的厚度为0.5-1mm。
11.根据权利要求1所述锌溴蓄电池，其特征在于，电池隔膜为聚乙烯微孔膜，隔膜厚度200-900μm。
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