CN116598605B - 一种无隔膜胶体锌溴电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无隔膜胶体锌溴电池，属于新能源电池领域，电池包括依次叠合排列的负端电极组件、玻璃纤维毡、双极板组件、玻璃纤维毡和正端电极组件，所述负端电极组件、双极板组件和正端电极组件中包含胶体电解液，所述电池还包括端板和螺栓，所述端板设置在电池两端，所述端板通过螺栓固定所述电池，本发明采用玻璃纤维毡代替传统隔膜，降低了电池的内阻使胶体锌溴电池拥有较好的效率；且由于本发明电池结构是非流动的，电解液是胶体电解液，玻璃纤维毡在本电池中具有较好的阻溴作用。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电池领域，尤其涉及一种无隔膜胶体锌溴电池。
背景技术
随着风能发电、太阳能发电等清洁能源的发展以及动力电池产能的不断攀升，人们对高功率且安全可靠的储能电池的需求量不断增加，而锌溴液流电池作为一种安全稳定的高功率电池也随着这种趋势不断取得了发展，并逐渐在储能电池领域占据重要地位。
虽然现有的锌溴液流电池结构具有较好的充放电循环稳定性，但是由于需要供液管道，因此需要额外消耗大量的能量，从而使得电池的能量效率无法大幅度提高。同时，在双液流电池的管路系统中，溴测的管路输送的电解液中含有大量的溴素，由于溴素的强氧化性及腐蚀性，使得双液流电池溴测管路及循环泵容易被腐蚀，这样既增加了电池的维护成本又导致了电池使用寿命的下降，以及密封和运输困难等问题。
发明内容
基于锌溴液流电池的上述问题和不足，本发明的目的是：提供了一种无隔膜胶体锌溴电池，去除传统液流锌溴电池中的供液泵、循环管路和储液罐，降低材料成本，提高锌溴电池的商业价值。
为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案为：一种无隔膜胶体锌溴电池，包括依次叠合排列的负端电极组件、玻璃纤维毡、双极板组件、玻璃纤维毡和正端电极组件，所述负端电极组件、双极板组件和正端电极组件中包含胶体电解液。
进一步的，所述电池还包括端板和螺栓，所述端板设置在电池两端，所述端板通过螺栓固定所述电池。
进一步的，所述正端电极组件包括正端电极、正端电极边框、正端电极盖板、第一溢流槽、第一灌液口和第一排气口；所述正端电极压接在正端电极边框里，所述正端电极盖板扣接于所述正端电极和正端电极边框表面，所述第一溢流槽、第一灌液口和第一排气口均分布于正端电极盖板上。
进一步的，所述双极板组件包括双极板、双极板边框、双极板盖板、第二溢流槽、第二灌液口、第二排气口、第三溢流槽、第三灌液口和第三排气口，双极板压接在双极板边框里，双极板盖板扣接于双极板和双极板边框正极侧表面，第二溢流槽、第二灌液口和第二排气口均分布于双极板盖板上，第三溢流槽、第三灌液口和第三排气口均分布于双极板边框上。
进一步的，所述负端电极组件包括负端电极、负端电极边框、第四溢流槽、第四灌液口和第四排气口，负端电极压接在负端电极边框里，第四溢流槽、第四灌液口和第四排气口均分布于负端电极边框上。
进一步的，所述正端电极组件、负端电极组件和双极板组件由多孔材料碳毡与导电板材构成，所述导电板材包括导电塑料板和石墨板。
进一步的，所述胶体电解液包括正极胶体电解液和负极胶体电解液；所述正极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP 0.8-1.2mol/L、凝胶剂、溴素20-30g/L和二氧化硅1wt%-5wt%；所述负极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP0.8-1.2mol/L、凝胶剂和二氧化硅1wt%-5wt%。
进一步的，所述玻璃纤维毡由玻璃纤维组成。
充电时，负极胶体电解液中的游离锌离子直接以锌单质形式沉积在电极上，溴离子在正极内部氧化为溴单质后与络合剂形成溴络合物。放电时，锌单质氧化为锌离子，溴络合物还原为溴离子。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1. 这种无隔膜胶体锌溴电池，与传统的液流锌溴电池相比，没有供液泵、循环管路和储液罐，降低了材料成本，无辅助能耗，还减少了后期维护；从而整体上减少了系统能耗，降低了成本，简化了电池结构；
2. 这种无隔膜胶体锌溴电池，由于采用静态胶体电解液，耐震动性能好，不仅运输方便，还使电池的应用更加广泛和方便，提高了锌溴电池的商业价值；
3. 这种无隔膜胶体锌溴电池，由于采用玻璃纤维毡代替传统隔膜，降低了电池的内阻使胶体锌溴电池拥有较好的效率；且由于本发明电池结构是非流动的，电解液是胶体电解液，玻璃纤维毡在本电池中具有较好的阻溴作用；
4. 这种无隔膜胶体锌溴电池，减小了溴对电池材料的腐蚀，增加了电池使用寿命，降低了电池后期的维护成本；
5．双极板上方设计有溢流槽，可以保证电池内部充满胶体电解液且在充放电过程中起到泄压、排气等作用，防止由于温度变化造成电池变形，可以提高电池的使用寿命。
附图说明
图1为无隔膜胶体锌溴电池装配图。
图2为无隔膜胶体锌溴电池结构示意图。
图3为无隔膜胶体锌溴电池负端电极组件结构示意图。
图4为无隔膜胶体锌溴电池双极板组件结构示意图。
图5为无隔膜胶体锌溴电池正端电极组件结构示意图。
图1中，1：端板；2：螺栓；
图2中，3：负端电极组件；4：玻璃纤维毡；5：双极板组件；6：正端电极组件；
图3中，3-1：负端电极边框；3-2：负端电极；3-1-1：第四溢流槽；3-1-2：第四灌液口；3-1-3：第四排气口；
图4中，5-1：双极板边框；5-2：双极板；5-3：双极板盖板；5-1-1：第三溢流槽；5-1-2：第三灌液口；5-1-3：第三排气口；5-3-1：第二溢流槽；5-3-2：第二灌液口；5-3-3：第二排气口；
图5中，6-1：正端电极；6-2：正端电极盖板；6-3：正端电极边框；6-2-1：第一溢流槽；6-2-2：第一灌液口；6-2-3：第一排气口。
具体实施方式
图1为无隔膜胶体锌溴电池装配图，用两块端板和八个螺栓固定，安装完毕后用配置好的胶体电解液灌装电堆，灌装完成后静置，用塞子密封灌液口和排气口。
本实施例中双极板组件数量为3，所以本实施例中无隔膜胶体锌溴电池依次由端板1、负端电极组件3、玻璃纤维毡4、双极板组件5、玻璃纤维毡4、双极板组件5、玻璃纤维毡4、双极板组件5、玻璃纤维毡4和正端电极组件6叠合而成。
进一步的，如图5所示，无隔膜胶体锌溴电池正端电极组件结构示意图，所述正端电极组件包括正端电极6-1、正端电极边框6-3、正端电极盖板6-2、第一溢流槽6-2-1、第一灌液口6-2-2和第一排气口6-2-3；所述正端电极6-1压接在正端电极边框6-3里，所述正端电极盖板6-2扣接于所述正端电极6-1和正端电极边框6-3表面，所述第一溢流槽6-2-1、第一灌液口6-2-2和第一排气口6-2-3均分布于正端电极盖板6-2上。
进一步的，如图4所示，图4（a）为无隔膜胶体锌溴电池双极板组件立体结构示意图，图4（b）为无隔膜胶体锌溴电池双极板组件侧视图；所述双极板组件包括双极板5-2、双极板边框5-1、双极板盖板5-3、第二溢流槽5-3-2、第二灌液口5-3-2、第二排气口5-3-3、第三溢流槽5-1-1、第三灌液口5-1-2和第三排气口5-1-3，双极板5-2压接在双极板边框5-1里，双极板盖板5-3扣接于双极板5-2和双极板边框5-1正极侧表面，第二溢流槽5-3-1、第二灌液口5-3-2和第二排气口5-3-3均分布于双极板盖板5-3上，第三溢流槽5-1-1、第三灌液口5-1-2和第三排气口5-1-3均分布于双极板边框5-1上。
进一步的，如图3所示，图3（a）为无隔膜胶体锌溴电池负端电极组件结构正视图，图3（b）为无隔膜胶体锌溴电池负端电极组件立体结构示意图；所述负端电极组件3包括负端电极3-2、负端电极边框3-1、第四溢流槽3-1-1、第四灌液口3-1-2和第四排气口3-1-3，负端电极3-2压接在负端电极边框3-1里，第四溢流槽3-1-1、第四灌液口3-1-2和第四排气口3-1-3均分布于负端电极边框3-1上。
进一步的，所述正端电极组件6、负端电极组件3和双极板组件5由多孔材料碳毡与导电板材构成，所述导电板材包括导电塑料板和石墨板。
进一步的，所述胶体电解液包括正极胶体电解液和负极胶体电解液；所述正极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP 0.8-1.2mol/L、凝胶剂、溴素20-30g/L和二氧化硅1wt%-5wt%；所述负极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP0.8-1.2mol/L、凝胶剂和二氧化硅1wt%-5wt%。正极胶体电解液添加溴素是因为可以保证放电过程中正极溴素过量。
进一步的，所述玻璃纤维毡4由玻璃纤维组成。
进一步的，如图2（a）和图2（b）所示，无隔膜胶体锌溴电池结构爆炸示意图，本实施例中，所述玻璃纤维毡4设置为四个，所述双极板组件5设置为三个，所述双极板组件5设置在每两个相邻的玻璃纤维毡4之间，所述双极板的个数可以根据具体需求更改。
实施例1
电池单片有效面积为100cm2,电池中双极板组件数量为3，溢流槽高度为5mm，碳毡厚度为3mm，玻毡厚度为0.9mm，按图2所示安装好后，按图1所示用端板和螺栓固定，灌装胶体电解液，灌装完成后静置24h，用塞子密封灌液口和排气口。
正极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡，25g/L溴素，2.2%二氧化硅；
负极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡， 2.2%二氧化硅。无隔膜胶体锌溴电池在电池在15mAh/cm2电流密度条件下，经过多次正常充放电循环后，电池平均库伦效率为94.11%，电池平均电压效率为81.34%，电池平均能量效率为74.11%。
实施例2
电池单片有效面积为100cm2,电池中双极板组件数量为3，溢流槽高度为5mm，碳毡厚度为4.2mm，玻毡厚度为0.9mm，按图2所示安装好后，按图1所示用端板和螺栓固定，灌装胶体电解液，灌装完成后静置24h，用塞子密封灌液口和排气口。
正极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡，25g/L溴素，2.2%二氧化硅；
负极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡， 2.2%二氧化硅。无隔膜胶体锌溴电池在电池在15mAh/cm2电流密度条件下，经过多次正常充放电循环后，电池平均库伦效率为92.91%，电池平均电压效率为81.38%，电池平均能量效率为75.61%。
实施例3
电池单片有效面积为100cm2,电池中双极板组件数量为3，溢流槽高度为5mm，碳毡厚度为6mm，玻毡厚度为0.9mm，按图2所示安装好后，按图1所示用端板和螺栓固定，灌装胶体电解液，灌装完成后静置24h，用塞子密封灌液口和排气口。
正极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡，25g/L溴素，2.2%二氧化硅；负极胶体电解质组成是4M溴化锌，1M络合剂MEP（N-methyl-N-ethyl-pyrrolidinium bromide），1.5M氯化钾，0.5M氯化锌，0.1mM溴化铅，0.1mM氯化亚锡， 2.2%二氧化硅。无隔膜胶体锌溴电池在电池在15mAh/cm2电流密度条件下，经过多次正常充放电循环后，电池平均库伦效率为94.48%，电池平均电压效率为80.52%，电池平均能量效率为76.08%。
本实施例所公开的电池由于采用胶体电解质，具备不污染环境，不腐蚀电池材料，耐震动性能好，结构简单无储液及输送管道，成本低，无辅助能耗，方便运输等优点；用玻璃纤维毡代替传统隔膜，成功解决了胶体锌溴电池内阻大的缺点，使电池拥有较高的效率和较好的性能；电池设计有溢流槽，可以保证电池内部充满胶体电解液且在充放电过程中起到泄压、排气等作用，防止由于温度变化造成电池变形。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的权利要求书的保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：包括依次叠合排列的负端电极组件（3）、玻璃纤维毡（4）、双极板组件（5）、玻璃纤维毡（4）和正端电极组件（6），所述负端电极组件（3）、双极板组件（5）和正端电极组件（6）中包含胶体电解液。
2.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：还包括端板（1）和螺栓（2），所述端板（1）设置在电池两端，所述端板（1）通过螺栓（2）固定所述电池。
3.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述正端电极组件（6）包括正端电极（6-1）、正端电极盖板（6-2）、正端电极边框（6-3）、第一溢流槽（6-2-1）、第一灌液口（6-2-2）和第一排气口（6-2-3）；所述正端电极（6-1）压接在正端电极边框（6-3）里，所述正端电极盖板（6-2）扣接于所述正端电极（6-1）和正端电极边框（6-3）表面，所述第一溢流槽（6-2-1）、第一灌液口（6-2-2）和第一排气口（6-2-3）均分布于正端电极盖板（6-2）上。
4.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述双极板组件（5）包括双极板（5-2）、双极板边框（5-1）、双极板盖板（5-3）、第二溢流槽（5-3-1）、第二灌液口（5-3-2）、第二排气口（5-3-3）、第三溢流槽（5-1-1）、第三灌液口（5-1-2）和第三排气口（5-1-3），双极板（5-2）压接在双极板边框（5-1）里，双极板盖板（5-3）扣接于双极板（5-2）和双极板边框（5-1）正极侧表面，第二溢流槽（5-3-1）、第二灌液口（5-3-2）和第二排气口（5-3-3）均分布于双极板盖板（5-3）上，第三溢流槽（5-1-1）、第三灌液口（5-1-2）和第三排气口（5-1-3）均分布于双极板边框（5-1）上。
5.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述负端电极组件（3）包括负端电极（3-2）、负端电极边框（3-1）、第四溢流槽（3-1-1）、第四灌液口（3-1-2）和第四排气口（3-1-3），负端电极（3-2）压接在负端电极边框（3-1）里，第四溢流槽（3-1-1）、第四灌液口（3-1-2）和第四排气口（3-1-3）均分布于负端电极边框（3-1）上。
6.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述正端电极组件（6）、负端电极组件（3）和双极板组件（5）由多孔材料碳毡与导电板材构成，所述导电板材包括导电塑料板和石墨板。
7.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述胶体电解液包括正极胶体电解液和负极胶体电解液；所述正极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP 0.8-1.2mol/L、凝胶剂、溴素20-30g/L和二氧化硅1wt%-5wt%；所述负极胶体电解液包括溴化锌2-4mol/L、去离子水、络合剂MEP 0.8-1.2mol/L、凝胶剂和二氧化硅1wt%-5wt%。
8.根据权利要求1所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述玻璃纤维毡（4）由玻璃纤维组成。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述玻璃纤维毡（4）为四个，所述双极板组件（5）为三个，所述双极板组件（5）设置在每两个相邻的玻璃纤维毡（4）之间。
10.根据权利要求9所述的一种无隔膜胶体锌溴电池，其特征在于：所述电池单片有效面积为100cm2，每个溢流槽高度为5mm，碳毡厚度为3-6mm，玻璃纤维毡（4）厚度为0.9mm。
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