CN116154243A - 一种高功率密度锌溴双液流电池 - Google Patents

一种高功率密度锌溴双液流电池 Download PDF

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宋杨
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Abstract

本发明公开了一种高功率密度锌溴双液流电池，属于液流电池储能技术领域，所述锌溴双液流电池为一节单电池或由二节以上单电池串联而成的电池组，所述单电池主要包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极、正极电极框；正极或负极电极框包括电极板和流道盖板，本发明通过将电极框厚度减薄，并将电解液进出口分配流道设置在流道盖板上，解决了电极框厚度减薄后所带来的强度降低、电池可靠性下降的问题；通过减小正负极的间距，从而减小电池极化，提升电池性能，同时电池的体积也相应减小，其功率密度得到进一步提升。

Description

一种高功率密度锌溴双液流电池
技术领域
本发明属于液流电池储能技术领域，具体涉及一种高功率密度锌溴双液流电池。
背景技术
锌溴液流电池是一种新型的低成本、高稳定性、长使用寿命的液流电池储能技术，具有较高的能量密度，然而，由于其负极是一个锌沉积溶解的过程，其工作电流密度不宜过大，因此如何提升锌溴液流电池的功率密度是急需解决的问题。锌溴液流电池负极是锌的沉积溶解，正极是溴离子和溴单质的转换，其发生电化学反应的反应动力学控制步骤在正极，因此如何提升正极的反应动力学是提升锌溴液流电池的关键。与锌溴单液流电池不同，锌溴双液流电池正极和负极同时流动，因此正极的容量并不局限于电池内部，通过调整正极电极框厚度来提升电池功率密度和性能的相关研究还未见报道。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供了一种高功率密度锌溴双液流电池。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种液流电池用电极框，包括电极板和流道盖板，电极板为一中部带有通孔的矩形平板，于电极板的一侧表面A上通孔的相对二侧分别设有电解液进口流道和电解液进口导流流道以及电解液出口流道和电解液出口导流流道；流道盖板为与电解液进口导流流道或电解液出口导流流道紧密贴合的平板，流道盖板的贴合面上设置有连通电解液进口流道和中部通孔的电解液进口分配流道、连通电解液出口流道和中部通孔的电解液出口分配流道；电极板和流道盖板相对扣合形成一体化电极框。
进一步地，电极板的厚度在2-3mm之间，进、出口导流流道深度为电极板厚度的50-80％。
进一步地，流道盖板上的分配流道宽度为0.5-1mm之间，深度与电极板上进、出口导流流道深度相同。
本发明另一方面提供一种使用上述的电极框组装的锌溴双液流电池，电极框作为锌溴双液流电池用正极电极框，或者电极框同时作为正、负极电极框使用；所述锌溴双液流电池为一节单电池或由二节以上单电池串联而成的电池组，单电池主要包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、正极电极框以及置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极。
进一步地，所述负极电极框为一中部带有通孔的矩形平板，于通孔的四周设置有焊接台，于平板的一侧表面B上通孔的相对二侧(即表面B的上下二侧)分别设有负极电解液进口流道和负极电解液出口流道，以及连通负极电解液进口流道和中部通孔的负极电解液进口分配流道、连通负极电解液出口流道和中部通孔的负极电解液出口分配流道；于负极电解液进口分配流道和负极电解液出口分配流道上设置负极流道盖板，负极流道盖板为光滑平板。
进一步地，负极碳毡电极与负极电解液进口分配流道以及负极碳毡电极与负极电解液出口分配流道之间设置一空腔。
进一步地，正极碳毡电极与正极电解液进口分配流道以及正极碳毡电极与正极电解液出口分配流道之间无空腔。
进一步地，每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。
进一步地，每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。
进一步地，负极电极框厚度在4mm-6mm之间。
进一步地，负极电极框上的分配流道宽度为1-2mm之间，深度为负极电极框厚度的50-80％。
进一步地，正极电极框厚度小于负极电极框厚度。
进一步地，负极电极框上的分配流道宽度大于等于正极流道盖板上的分配流道宽度。
本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：
本发明通过将正极电极框厚度减薄，并将正极电解液进出口分配流道设置在流道盖板上，解决了在正极电极框厚度减薄后所带来的强度降低、电池可靠性下降的问题；通过减薄正极电极框厚度，减小正极的间距，从而减小电池极化，提升电池性能，除此之外，减薄正极厚度后，电池的体积也相应减小，其功率密度可以进一步提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。
图1为本发明的电极框作为正极电极框结构，其中，1：正极电解液进/出口流道、2：正极电解液进/出口导流流道、3：正极流道盖板、4：正极电解液进/出口分配流道。
图2为对比例的正、负极电极框结构，其中，1：正、负极电解液进/出口流道、2：正、负极电解液进/出口分配流道、3：正、负极流道盖板。
图3为对比例的充放电性能曲线。
图4为实施例1的充放电性能曲线。
图5为实施例2的充放电性能曲线。
图6为实施例3的充放电性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。
对比例
对比例采用图2所示的电极框结构组装锌溴双液流电池组，于二块集流板之间设置10节单电池，单电池包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极、正极电极框，所述负极电极框和正极电极框均采用图2所示的的电极框结构；每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连；每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。负极电极框厚度为4mm，负极电极框上进、出口流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为2mm；正极电极框厚度为4mm，正极电极框上进、出口流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为2mm；于正极电极框和负极电极框之间放置隔膜，单电池的两侧分别设置有双极板。电解液采用2mol/l溴化锌溶液、3mol/l氯化钾溶液和0.8mol/l MEP络合剂。具体电极尺寸、电堆节数以及充放电制度如下所示：
电极面积：800cm2。
电堆节数：10节
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V
电堆库伦效率86.3％，电压效率79.4％，能量效率68.5％。
实施例1
实施例1的锌溴双液流电池组为于二块集流板之间设置10节单电池，单电池包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极、正极电极框；所述负极电极框采用图2所示的电极框结构，所述正极电极框采用图1所示的电极框结构；每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连；每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。负极电极框厚度为4mm，负极电极框上进、出口流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为2mm；正极电极框厚度为3mm，正极电极板上进、出口导流流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为1mm；于正极电极框和负极电极框之间放置隔膜，单电池的两侧分别设置有双极板。电解液采用2mol/l溴化锌溶液、3mol/l氯化钾溶液和0.8mol/l MEP络合剂。具体电极尺寸、电堆节数以及充放电制度如下所示：
电极面积：800cm2；
电堆节数：10节；
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V；
电堆库伦效率92.8％，电压效率83.2％，能量效率77.2％。
实施例2
实施例2的锌溴液双流电池组为于二块集流板之间设置10节单电池，单电池包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极、正极电极框，所述负极电极框采用图2所示的电极框结构，所述正极电极框采用图1所示的电极框结构；每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连；每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。负极电极框厚度为4mm，负极电极框上进、出口流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为2mm；正极电极框厚度为2mm，电极板上进、出口导流流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为1mm；于正极电极框和负极电极框之间放置隔膜，单电池的两侧分别设置有双极板。电解液采用2mol/l溴化锌溶液、3mol/l氯化钾溶液和0.8mol/l MEP络合剂。具体电极尺寸、电堆节数以及充放电制度如下所示：
电极面积：800cm2；
电堆节数：10节；
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V；
电堆库伦效率94.3％，电压效率85.2％，能量效率80.3％。
实施例3
实施例3采用图1所示的电极框结构组装锌溴双液流电池组，于二块集流板之间设置10节单电池，单电池包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极碳毡电极、隔膜、置于正极电极框中部通孔内的正极碳毡电极、正极电极框，所述负极电极框和正极电极框均采用图1所示的电极框结构；每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连；每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将电解液出口流道相连。负极电极框厚度为2mm，电极板上进、出口导流流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为1mm；正极电极框厚度为2mm，电极板上进、出口导流流道深度为电极框厚度的60％，流道宽度为1mm；于正极电极框和负极电极框之间放置隔膜，单电池的两侧分别设置有双极板。电解液采用2mol/l溴化锌溶液、3mol/l氯化钾溶液和0.8mol/l MEP络合剂。具体电极尺寸、电堆节数以及充放电制度如下所示：
电极面积：800cm2；
电堆节数：10节；
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V；
电堆库伦效率94.8％，电压效率87.4％，能量效率82.8％。
对比例的电池组充放电性能曲线如图3所示，可以看到对比例的电池组效率和循环寿命都偏低。
实施例1的电池组充放电性能曲线如图4所示，可以看到实施例1的电池组库伦效率略有提升，为92.8％，能量效率为77.2％，电池组的电压效率相比于对比例有所提升，主要是由于正极减薄后，电池欧姆电阻降低，极化减小，电压效率和库伦效率都有相应的提升，电池循环数也大幅度提升，说明其可靠性得到加强。
实施例2的电池组充放电性能曲线如图5所示，可以看到电池组的库伦效率为94.3％，相比于对比例和实施例1都有大幅度地提升，电池组的能量效率为80.3％，相比于实施例1，其电极框厚度进一步减薄，因此欧姆电阻进一步减小，极化进一步降低，电池性能进而提升。
实施例3的电池组充放电性能曲线如图6所示，可以看到电池组的库伦效率为94.8％，略高于实施例2，电压效率为87.4％，相比于实施例2有了明显的提升。这主要是由于该实施例的正负极电极框同时采用本发明所提供的的电极框结构，正负极同时减薄，极间距进一步减小，欧姆极化进一步降低，电池的性能得到进一步提升。
综上所述，在采用本发明提供的电极框结构后，由于减薄了电极框厚度，减小了极间距，降低了欧姆电阻，减小了极化，并且由于分配流道设置在流道盖板上，抵消了由于电极框减薄所带来的电极框强度的下降，因此电池的性能及可靠性都得到了提升。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种液流电池用电极框，其特征在于，电极框包括电极板和流道盖板，电极板为一中部带有通孔的矩形平板，于电极板的一侧表面A上通孔的相对二侧分别设有电解液进口流道和电解液进口导流流道以及电解液出口流道和电解液出口导流流道；流道盖板为与电解液进口导流流道或电解液出口导流流道紧密贴合的平板，流道盖板的贴合面上设置有连通电解液进口流道和中部通孔的电解液进口分配流道、连通电解液出口流道和中部通孔的电解液出口分配流道；电极板和流道盖板相对扣合形成一体化电极框。
2.根据权利要求1所述的电极框，其特征在于，电极板的厚度在2-3mm之间，进、出口导流流道深度为电极板厚度的50％-80％。
3.根据权利要求1或2所述的电极框，其特征在于，流道盖板上的分配流道宽度为0.5-1mm之间，深度与电极板上进、出口导流流道深度相同。
4.一种使用权利要求1-3所述的电极框组装的锌溴双液流电池，其特征在于，所述的电极框作为锌溴双液流电池用正极电极框，或者同时作为正、负极电极框使用；所述锌溴双液流电池为一节单电池或由二节以上单电池串联而成的电池组，单电池主要包括依次层叠的负极电极框、置于负极电极框中部通孔内的负极电极、隔膜、正极电极框以及置于正极电极框中部通孔内的正极电极。
5.根据权利要求4所述的锌溴双液流电池，其特征在于，所述负极电极框为一中部带有通孔的矩形平板，于平板的一侧表面B上通孔的相对二侧分别设有负极电解液进口流道和负极电解液出口流道，以及连通负极电解液进口流道和中部通孔的负极电解液进口分配流道、连通负极电解液出口流道和中部通孔的负极电解液出口分配流道；负极电解液进口分配流道和负极电解液出口分配流道上设置有负极流道盖板，负极流道盖板为光滑平板。
6.根据权利要求4所述的锌溴双液流电池，其特征在于，每节负极电极框之间通过负极电解液进口公用流道将负极电解液进口流道相连，每节负极电极框之间通过负极电解液出口公用流道将负极电解液出口流道相连。
7.根据权利要求4所述的锌溴双液流电池，其特征在于，每节正极电极框之间通过正极电解液进口公用流道将正极电解液进口流道相连，每节正极电极框之间通过正极电解液出口公用流道将正极电解液出口流道相连。
8.根据权利要求5所述的锌溴双液流电池，其特征在于，正极电极框的厚度小于负极电极框的厚度。
9.根据权利要求5所述的锌溴双液流电池，其特征在于，负极电极框上的分配流道的宽度大于等于正极流道盖板上的分配流道的宽度。
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