CN202259549U - 一种锂离子液流电池 - Google Patents

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王秋平
张萍
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Abstract

本实用新型提供一种锂离子液流电池，属于锂离子电池技术领域。该锂离子液流电池包括正极悬浮液池、负极悬浮液池和电池反应器，其中，正极悬浮液池盛放正极复合材料颗粒和电解液的混合物，负极悬浮液池盛放负极复合材料颗粒和电解液的混合物，电池反应器包括正极集流体、负极集流体和一层或多层微孔隔板，微孔隔板将正极集流体和负极集流体绝缘隔开，并分别形成正极腔室和负极腔室，正极腔室通过密封管道与正极悬浮液池连通，负极腔室通过密封管道与负极悬浮液池连通。本实用新型与全钒液流电池相比，锂离子液流电池能量密度大、电解液环保无毒、成本低，适合应用于电网的大规模储能。

Description

一种锂离子液流电池
技术领域
本实用新型涉及一种可用于大规模储能的锂离子液流电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
电能的广泛应用被认为是20世纪人类最大的成就之一。电力工业成为国家最重要的基础产业之一。现代电力系统正在向大电网、大机组的方向发展，保持电网的稳定性对于电力系统变得越来越重要。为实现稳定供电，开发高效的规模储能技术意义重大。
全钒液流电池通过正、负极溶液中的活性钒离子的价态变化，可以实现电能的存储与释放。全钒液流电池的正负极活性物质溶液分装在两个储存罐中，在液泵推动下，溶液通过密封管道流经电堆，在质子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。因此，全钒液流电池的输出功率和储能容量可独立设计，这是液流电池显著区别于其它化学电池的独特之处，同时也是液流电池有可能应用于大规模储能的最大技术优势。但全钒液流电池存在着严重缺陷：全钒液流电池的电解液在制造过程中会产生废气、粉尘和废水，尤其是含钒的硫酸废液处理不当可能会污染河水或者地下水，形成环境污染。另外，钒电池其它报废材料，尤其是塑料/石墨复合导电板，很难通过循环再生的方式进入再生产环节。
传统锂离子电池是一种依靠锂离子在正、负极之间移动来工作的可充电电池，电池的电解液是不流动的，密封于单体电池内部。它虽然具有高电压、比能量大、循环寿命长、无记忆、污染小、工作温度范围高等特点，但是大容量锂离子电池的成本和使用安全性一直是一个突出问题，阻碍了其其作为电网储能系统的规模应用。
实用新型内容
本实用新型目的在于综合液流电池和锂离子电池的优点，设计一种安全环保、功率密度大、能量效率高、成本低的锂离子液流电池。
本实用新型的目的是通过下述方式实现的：
本实用新型锂离子液流电池由正极悬浮液池、负极悬浮液池、电池反应器、液泵及密封管道组成。其中，正极悬浮液池盛放正极复合材料颗粒和电解液的混合物，负极悬浮液池盛放负极复合材料颗粒和电解液的混合物。混合物在液泵推动下通过密封管道在悬浮液池和电池反应器之间流动。电池反应器可以是“外正内负”的结构：包括筒形结构的正极集流体，置于筒形结构外层的是塑料绝缘壳，置于筒形结构内部有棒状的负极集流体，置于正极集流体和负极集流体之间的一层或多层微孔隔板。其中，正极集流体材料可选用不锈钢、铝合金或导电石墨，负极集流体材料可选用不锈钢、铜合金、导电石墨或其它表面镀锂合金的金属材料，电池反应器也可以是“外负内正”的结构：包括筒形结构的负极集流体，置于筒形结构外层的是塑料绝缘壳，置于筒形结构内部有棒状的正极集流体，置于负极集流体和正极集流体之间的一层或多层微孔隔板，隔板孔隙内为电子不导电的电解液，上述微孔隔板将正极集流体和负极集流体绝缘隔开，并分别形成正极腔室和负极腔室。正极腔室进出口通过密封管道与正极悬浮液池连通，负极腔室进出口通过密封管道与负极悬浮液池连通。
锂离子液流电池的正极复合材料颗粒为正极活性材料与导电胶粘剂的复合颗粒。其中正极活性材料为含锂的磷酸亚铁锂(LiFePO4)、掺杂锂锰氧化物(Li0.9～1.2M0～0.2Mn2O4，M是Na、Mg、Ca、Ni、Co中的一种或几种元素)、锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍钴氧化物(LiNi0.8Co0.2O2)、锂镍锰钴氧化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2或LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2)以及其它含锂金属氧化物的一种或几种混合物；导电胶粘剂为混合有金属或碳材料导电剂的聚偏氟乙烯(PVDF)、丙烯酸脂胶(LA132)、丁苯橡胶(SBR)以及其它导电聚合物材料的一种或几种混合物。
锂离子液流电池的负极复合材料颗粒为负极活性材料与导电胶粘剂的复合颗粒。其中，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、碳材料的一种或几种混合物；导电胶粘剂为混合有金属或碳材料导电剂的聚偏氟乙烯(PVDF)、丙烯酸脂胶(LA132)、丁苯橡胶(SBR)以及其它导电聚合物材料的一种或几种混合物。
锂离子液流电池的电解液采用六氟磷酸锂(LiPF6)或双乙二酸硼酸锂(LiB[(OCO)2]2，LiBOB)溶解于有机溶剂的溶液，溶液的浓度小于等于2mol/L。所述的有机溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)的一种或几种混合溶剂。
上述微孔隔板可以由微孔有机隔膜叠加而成和电子不导电的微孔陶瓷材料的一种或多种复合叠加。微孔隔板也可以为聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料。
锂离子液流电池工作时用输液泵对悬浮液进行循环，悬浮液在液泵推动下通过密封管道在悬浮液池和电池反应器之间流动，流速可根据悬浮液浓度和环境温度进行调节。
本实用新型的特点有：
1)本实用新型作为液流电池，具有规模大、输出功率和储能容量彼此独立、寿命长、成本低等特点。
2)本实用新型作为锂离子电池，具有电压高、比能量大、比功率大、绿色环保、工作温度范围大等特点。
3)相比于全钒液流电池的正负极反应只能在电极板面上发生，本实用新型通过调整电极悬浮液中电极复合材料颗粒的浓度，使悬浮液具有网络电子导电性，由此充放电时反应可在电池反应器中的悬浮液发生，可大大提高充放电倍率特性。
4)相比于全钒电池以有强腐蚀性的硫酸作为电解液，本实用新型的电解液采用有机溶剂，腐蚀性很小，进而对隔膜、电极、电解池、泵等材料的抗腐蚀性要求大大降低。
5)相比于全钒液流电池中高价钒离子的剧毒性，本实用新型正负极物质采用锂盐和石墨颗粒，电解液采用有机溶剂，毒性很小。
6)相比于电解液静止的传统大容量锂离子电池的高成本，本实用新型可以节约大量的电池隔膜、铜箔和铝箔材料，电池体积能量密度和质量能量密度也有显著提高，电池制备不必使用昂贵的涂布机、切片机、叠片机等电池制造设备，因此电池的原料成本和制造成本大大降低。
附图说明
图1为锂离子液流电池的结构示意图，图中：1-正极悬浮液池；2-负极悬浮液池；3-电池反应器；4-液泵；5-密封管道；6-正极集流体；7-塑料绝缘壳；8-负极集流体；9-微孔隔板；10-正极腔室；11-负极腔室。
图2为电池反应器的A截面结构示意图，图中：6-正极集流体；7-塑料绝缘壳；8-负极集流体；9-微孔隔板；10-正极腔室；11-负极腔室。
具体实施方式
本实用新型锂离子液流电池，由正极悬浮液池1、负极悬浮液池2、电池反应器3、液泵4及密封管道5组成，如图1和图2所示。其中，正极悬浮液池1盛放正极复合材料颗粒和电解液的混合物，负极悬浮液池2盛放负极复合材料颗粒和电解液的混合物。混合物在液泵4推动下通过密封管道5在悬浮液池和电池反应器3之间流动。电池反应器3包括筒形结构的正极集流体6，置于筒形结构外层的塑料绝缘壳7，置于筒形结构内部的棒状的负极集流体8，置于正极集流体6和负极集流体8之间的一层或多层微孔隔板9。微孔隔板9将正极集流体6和负极集流体8绝缘隔开，并分别形成正极腔室10和负极腔室11，微孔隔板9的孔隙内为电子不导电的电解液。正极腔室10的进出口通过密封管道与正极悬浮液池1连通，负极腔室11的进出口通过密封管道与负极悬浮液池2连通。
本实用新型电池工作原理：当电池放电时，负极腔室11中的负极复合材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出，进入电解液，并通过微孔隔板9内部的微孔通道到达正极腔室10，嵌入到正极复合材料颗粒内部；与此同时，负极腔室11中的负极复合材料颗粒内部的电子流入负极集流体8，并通过电池的外部回路完成做功后进入正极集流体6，最后嵌入正极复合材料颗粒内部。电池充电的过程与之相反：正极腔室10中的正极复合材料颗粒内部的锂离子脱嵌而出，进入电解液，并通过微孔隔板9内部的微孔通道到达负极腔室11，嵌入到负极复合材料颗粒内部；与此同时，正极腔室10中的正极复合材料颗粒内部的电子流入正极集流体6，并通过电池外部的充电回路后进入负极集流体8，最后嵌入负极复合材料颗粒内部。在上述放电和充电过程中，正极腔室10中的正极复合材料颗粒处于流动的状态，并通过颗粒与颗粒之间的接触以及颗粒与正极集流体6的表面接触，形成网络状的电子导电通道，负极腔室11中的负极复合材料颗粒也与此类似。这样，构成了一个完整的电池反应体系。

Claims (7)

1.一种锂离子液流电池，其特征在于：所述锂离子液流电池包括正极悬浮液池、负极悬浮液池和电池反应器，所述电池反应器包括正极集流体、负极集流体和一层或多层微孔隔板，微孔隔板将正极集流体和负极集流体绝缘隔开，并分别形成正极腔室和负极腔室，正极腔室的进、出口分别通过密封管道与正极悬浮液池连通，负极腔室的进、出口分别通过密封管道与负极悬浮液池连通。
2.根据权利要求1所述的锂离子液流电池，其特征在于：所述电池反应器的正极集流体为筒形结构，置于筒形正极集流体结构外的是塑料绝缘壳，置于筒形正极集流体结构内部有棒状的负极集流体；或所述电池反应器包括筒形结构的负极集流体，置于筒形负极集流体结构外的是塑料绝缘壳，置于筒形负极集流体结构内部有棒状的正极集流体，其中，正极集流体材料选用不锈钢、铝合金或导电石墨的一种，负极集流体材料选用不锈钢、铜合金、导电石墨或其它表面镀锂合金的金属材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子液流电池，其特征在于：微孔隔板为数量不少于两层的微孔有机隔膜叠加而成，微孔有机隔膜材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电的聚合物材料，其中至少有一层微孔有机隔膜的孔径≤0.50μm，孔隙率≥30％；微孔隔板的孔隙内为电子不导电的电解液。
4.根据权利要求1所述的锂离子液流电池，其特征在于：微孔隔板为电子不导电的微孔Al2O3陶瓷材料、微孔SiO2陶瓷材料、微孔TiO2陶瓷材料、微孔ZrO2陶瓷材料或其它电子不导电的微孔陶瓷材料，微孔隔板的孔径≤2.0μm；微孔隔板的孔隙内为电子不导电的电解液。
5.根据权利要求1所述的锂离子液流电池，其特征在于：微孔隔板为电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料，微孔隔板的孔隙内为电子不导电的电解液。
6.根据权利要求3、4或5所述的锂离子液流电池，其特征在于：微孔隔板为微孔有机隔膜、微孔陶瓷材料以及凝胶聚合物电解质复合材料中的任意两种或三种的复合微孔隔板；复合微孔隔板的孔隙内为电子不导电的电解液。
7.根据权利要求1所述的锂离子液流电池，其特征在于：在密封管道上设有液泵，正、负悬浮液池混合物在液泵作用下在正、负悬浮液池和电池反应器之间流动。 
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