CN117374293B - 一体化电极和包含其的液流电池 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种液流电池用的一体化电极和液流电池。该一体化电极可以包括第一多孔电极、与第一多孔电极的一侧接触的第二多孔电极以及与第一多孔电极远离第二多孔电极的一侧接触的双极板；其中双极板与第一多孔电极接触的区域具有并行排列的N个凹状延伸部，第一多孔电极与双极板接触的区域具有并行排列的N个凸状延伸部，N为大于或等于3的奇数，凹状延伸部和凸状延伸部均为蛇形延伸且凸状延伸部对应地嵌入到凹状延伸部中；其中第一多孔电极的压缩比小于第二多孔电极的压缩比。本公开通过设置具有特别压缩比关系的第一多孔电极和第二多孔电极以及具有对应凹凸关系的第一多孔电极和双极板，从而形成了特定的一体化电极，提高了液流电池的能量效率。
Description
技术领域
本公开涉及但不限于电化学领域，且尤其涉及但不限于一种一体化电极和包含其的液流电池。
背景技术
目前，用于液流电池的一体化电极的制造技术主要包括热压类、涂布类、电化学沉积类。热压类技术主要包括通过热压或模压将电极与双极板粘结成一体。然而，对于一些表面具有流道的双极板来说，通过这种方式与电极结合会带来一些新的问题，如在非电流流动方向上产生的电流流动会引起二次环流，从而增加能耗，显著降低能量效率等。
另外，为了降低电池的活化极化和欧姆极化损耗，使电池充放电时，过电位最小化，并降低电池碳基电极内发生的浓差极化损失，通常会添加催化剂或者化学活化处理电极材料。但随着电池的充放电循环数增加，电极上的反应活性位点会损耗，如催化剂电极在遭受电解液长期冲刷时，会出现脱落现象，造成过电势增大，副反应发生，大幅降低。
因而，需要一种能量效率提高的包含一体化电极的液流电池。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
在一个方面，本申请的示例性实施方式提供了一种液流电池用的一体化电极，包括第一多孔电极、与所述第一多孔电极的一侧接触的第二多孔电极以及与所述第一多孔电极远离所述第二多孔电极的一侧接触的双极板；
其中所述双极板与所述第一多孔电极接触的区域具有并行排列的N个凹状延伸部，所述第一多孔电极与所述双极板接触的区域具有并行排列的N个凸状延伸部，N为大于或等于3的奇数，所述凹状延伸部和所述凸状延伸部均为蛇形延伸且所述凸状延伸部对应地嵌入到所述凹状延伸部中；
其中所述第一多孔电极的压缩比小于所述第二多孔电极的压缩比。
在示例性的实施方式中，所述第一多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比K1通过公式I计算，
公式I：K1=(1-α) ×λ×K2
其中，K1是所述第一多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比，K2是所述第二多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比且在0.25-0.64的范围内，λ是复合因子系数且在0.95-1.05的范围内，α是工艺因子系数且通过公式II计算，
公式II：α=(Q×I×A)/(n×F×C0)
其中，Q是初始电解液反应物的流量L/min，I是电流密度mA/cm2，A是电极材料反应有效面积cm2，n是反应电子转移数n=1，F是法拉第常数96485 C/mol以及C0是初始电解液反应物的浓度mol/L。
在示例性的实施方式中，所述凹状延伸部的深度在4mm-7mm的范围内，所述凸状延伸部的高度在3mm-6mm的范围内，且所述凸状延伸部的高度的20%-90%进入所述凹状延伸部内。
在示例性的实施方式中，所述第一多孔电极和第二多孔电极包括含碳的多孔材料且具有大于90%的含碳量和大于0.15 g/cm3的体积密度。
在示例性的实施方式中，所述第一多孔电极和第二多孔电极各自独立地选自石墨毡、聚丙烯腈基碳毡、粘胶基碳毡、沥青基碳毡、木质纤维基碳毡和碳布中的任意一种或更多种，所述双极板是石墨基双极板。
在示例性的实施方式中，所述第一多孔电极和第二多孔电极均是碳毡。
在示例性的实施方式中，所述双极板具有第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸小于或等于第二尺寸；每条蛇形的凹状延伸部包括多个沿第一方向延伸的直行段和多个沿第二方向延伸的弯折段，所述直行段与弯折段依次交替设置且首尾相连；每条蛇形的凸状延伸部包括多个对应的沿第一方向延伸的直行段和多个对应的沿第二方向延伸的弯折段，所述直行段与弯折段依次交替设置且首尾相连。
在示例性的实施方式中，相邻两个凹状延伸部之间的间距相同，凹状延伸部的宽度均相同；相邻两个凸状延伸部之间的间距相同，凸状延伸部的宽度均相同。
在另一个方面，本申请还提供了一种液流电池，包括上述一体化电极。
在示例性的实施方式中，所述液流电池选自全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池和锌溴液流电池中的任意一种或更多种。
本申请的第一多孔电极和第二多孔电极会通过高压及热塑工艺处理形成一体化复合电极，该过程为物理压缩过程，减少了因化学制备催化活性提升，带来的多次充放电循环后，有效活性物质脱落现象，提升了电池的生命周期。另外，本申请的第一多孔电极与双极板流道接触的区域具有流道配合的凸起区域，该凸起区域深入到凹陷的流道中，并封堵流道，降低了二次环流，而且优化反离子传质特性和电子传输区。本申请的与第一多孔电极压缩配合的第二多孔电极作为电极基质层，满足电解液中反应活性物质及钒离子的迁移。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本公开的示例性实施方式提供的一种一体化电极的双极板的凹状延伸部的平面示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
本实施例中采用的双极板、第一多孔电极和第二多孔电极均为市售产品（如购买自四川江油润生石墨毡有限公司）。第一多孔电极和第二多孔电极均为碳毡。
图1显示了双极板的并行排列的3个凹状延伸部的平面示意图，即N=3。
如图1所示，具有3个凹状延伸部的双极板具有第一尺寸A和第二尺寸B。第一尺寸A为沿第一方向X延伸的尺寸，即双极板的宽度尺寸，A可以为40 cm；第二尺寸B为沿第二方向Y延伸的尺寸，即双极板的长度尺寸，B可以为50 cm，即双极板为长方形双极板。
图1显示了每条蛇形的凹状延伸部包括多个沿第一方向X延伸的直行段和多个沿第二方向Y延伸的弯折段，直行段与弯折段依次交替设置且首尾相连。图1还显示了每条蛇形的凹状延伸部经过4次弯折。
图1显示了凹状延伸部的入口与出口设置在双极板的对角线的两端，这样保证了入口与出口之间的间距最大。
图1还显示了每个凹状延伸部的宽度为a，相邻的凹状延伸部之间的间距为b，且每个凹状延伸部的宽度与相邻凹状延伸部之间的间距相同，即a=b=1mm。
本申请还可以采用其他延伸走向的多蛇形凹状延伸部（流道），本申请并不限制凹状延伸部（流道）的布局。
本实施例中，双极板表面的凹状延伸部的深度可以控制在4mm，因而凸状延伸部的高度可以被设计成3mm厚，且规定第一多孔电极的凸状延伸部的高度的80%进入凹状延伸部内，即进入2.4mm厚。
进一步，第二多孔电极的初始厚度可以为5cm，规定第二多孔电极的压缩比K2为0.6，压缩后的厚度可以控制在3cm。
根据公式（II）：α=(Q×I×A)/(n×F×C0)
本实施例中，Q=1 L/min；I=50 mA/cm2，A=1800cm2，n是反应电子转移数n=1，F是法拉第常数96485 C/mol以及C0为1.8 mol/L；
经计算，即得工艺因子系数α为0. 005；
根据公式（I）：K1=(1-α) ×λ×K2，
在本实施例中，λ复合因子系数选0.97，因而经计算K1为0.579。
因而，第一多孔电极的厚度为5cm，因而第一多孔电极压缩后的厚度可以为5-5×0.579=3.1cm。
根据上述计算结果，先制备第一多孔电极的凸状延伸部。通过刻蚀去除电极中不是预设凸状延伸部的区域，去除厚度为3mm，即得到具有3mm高的凸状延伸部的第一多孔电极；
接着通过压制机将第二多孔电极压入第一多孔电极中，压缩两个电极；控制压力，使得第二多孔电极压缩后的厚度可以在3cm，第一多孔电极压缩后的厚度可以在3.1cm，形成复合的多孔电极；第二多孔电极作为电极基质层，主要作用满足电解液中反应活性物质及钒离子的迁移，压缩比大于第一多孔电极。
最后，通过压制机压缩复合的多孔电极，将第一多孔电极的3mm高度的凸状延伸部一一对应地压入双极板的凹状延伸部中，控制压力，使得2.4mm高度的凸状延伸部进入凹状延伸部中，封住凹状延伸部（流道），从而制得包括第一多孔电极、第二多孔电极以及双极板的一体化电极。
本实施例中的压制压力可以在0.5N-5N的范围内，优选0.5N-1N的范围内。
将本实施例制得的一体化电极与集流板等部件一起组装成全钒液流电池。
经过测试得到该全钒液流电池的库伦效率可以达到95.14%、电压效率可以达到82.19%以及能量效率可以达到78.20%。
相比之下，未采用一体化电极的全钒液流电池，如仅包括双极板和一个碳毡且碳毡不具有匹配的凸状延伸部，则测得其库伦效率为90.1%、电压效率为76.5%以及能量效率为73.5%。
本申请的第一多孔电极和第二多孔电极通过高压及热塑工艺处理形成一体化复合电极，该过程为物理压缩过程，减少了因化学制备催化活性提升，带来的多次充放电循环后，有效活性物质脱落现象，提升了电池的生命周期。另外，本申请的第一多孔电极与双极板流道接触的区域具有流道配合的凸起区域，该凸起区域深入到凹陷的流道中，并封堵流道，降低了二次环流，而且优化反离子传质特性和电子传输区。本申请的与第一多孔电极压缩配合的第二多孔电极作为电极基质层，满足电解液中反应活性物质及钒离子的迁移。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种液流电池用的一体化电极，其特征在于，包括第一多孔电极、与所述第一多孔电极的一侧接触的第二多孔电极以及与所述第一多孔电极远离所述第二多孔电极的一侧接触的双极板；
其中所述双极板与所述第一多孔电极接触的区域具有并行排列的N个凹状延伸部，所述第一多孔电极与所述双极板接触的区域具有并行排列的N个凸状延伸部，N为大于或等于3的奇数，所述凹状延伸部和所述凸状延伸部均为蛇形延伸且所述凸状延伸部对应地嵌入到所述凹状延伸部中；
其中所述第一多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比小于所述第二多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比；
所述第一多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比K1通过公式I计算，
公式I：K1=(1-α) ×λ×K2
其中，K1是所述第一多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比，K2是所述第二多孔电极在垂直于所述双极板的方向上的压缩比且在0.25-0.64的范围内，λ是复合因子系数且在0.95-1.05的范围内，α是工艺因子系数且通过公式II计算，
公式II：α=(Q×I×A)/(n×F×C0)
其中，Q是初始电解液反应物的流量L/min，I是电流密度mA/cm2，A是电极材料反应有效面积cm2，n是反应电子转移数n=1，F是法拉第常数96485 C/mol以及C0是初始电解液反应物的浓度mol/L。
2.根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，所述凹状延伸部的深度在4mm-7mm的范围内，所述凸状延伸部的高度在3mm-6mm的范围内，且所述凸状延伸部的高度的20%-90%进入所述凹状延伸部内。
3. 根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，所述第一多孔电极和第二多孔电极包括含碳的多孔材料且具有大于90%的含碳量和大于0.15 g/cm3的体积密度。
4.根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，所述第一多孔电极和第二多孔电极各自独立地选自石墨毡、聚丙烯腈基碳毡、粘胶基碳毡、沥青基碳毡、木质纤维基碳毡和碳布中的任意一种或更多种，所述双极板是石墨基双极板。
5.根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，所述第一多孔电极和第二多孔电极均是碳毡。
6.根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，所述双极板具有第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸小于或等于第二尺寸；每条蛇形的凹状延伸部包括多个沿第一方向延伸的直行段和多个沿第二方向延伸的弯折段，所述直行段与弯折段依次交替设置且首尾相连；每条蛇形的凸状延伸部包括多个对应的沿第一方向延伸的直行段和多个对应的沿第二方向延伸的弯折段，所述直行段与弯折段依次交替设置且首尾相连。
7.根据权利要求1所述的一体化电极，其特征在于，相邻两个凹状延伸部之间的间距相同，凹状延伸部的宽度均相同；相邻两个凸状延伸部之间的间距相同，凸状延伸部的宽度均相同。
8.一种液流电池，包括根据权利要求1-7中任一项所述的一体化电极。
9.根据权利要求8所述的液流电池，其特征在于，所述液流电池选自全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池和锌溴液流电池中的任意一种或更多种。
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