CN207587857U - 一种锌镍单液流电池 - Google Patents

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张华民
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刘新运
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Abstract

本实用新型涉及一种锌镍单液流电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆，负极电解液储罐、负极循环管路、泵；单电池包括从下到上依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，负极电解液储罐中的负极电解液经泵流经负极，正极电解液不流动且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正、负极为柔性电极，正、负电解液相同，均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。该电池具有结构简单、能量密度高、功率密度高、安全性好等优点。

Description

一种锌镍单液流电池
技术领域
本实用新型涉及液流电池储能技术领域，特别涉及一种锌镍液流电池领域。
背景技术
锌镍单液流电池是一种新型的低成本、高效率、环境友好型的液流电池储能技术，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。
传统锌镍单液流电池正极为烧结式氧化镍电极,负极为镍箔上的沉积锌电极,电解液为1.0M ZnO+0.5M LiOH+10M KOH水溶液，且正负极之间没有隔膜。由于该电池无隔膜，导致该电池无法实现多节串联，在同一种、无物理阻隔且导通的流动电解液中，各节电池之间只能以并联的方式连接；因为传统的锌镍单液流电池正极材料导电性差，电流无法从电极厚度方向导通，导致其不能使用全钒、锌溴等双电池结构运行，使得电池无法实现多节串联。传统锌镍单液流电池由于受限于负极材料(析氢过电位低、且不溶于碱的金属)，负极发生副反应的几率大大增加(析出氢气)，电池在长时间静置时，负极生成的锌单质会再次溶解到电解液中，使得电池再开启时，负极由于没有析氢过电位较高的锌金属而发生析氢副反应，使用时氢气的生成增加了电池的危险性。受限于电池整体结构，传统锌镍单液流电池正极容量过低，导致电池容量受限。
实用新型内容
本实用新型为解决上述技术问题，本实用新型通过在正负极之间加离子交换膜，构筑正负极电解液分开的体系，使得电池可以在单节基础上进行多节串联，每节之间正负极电解液不互混，阻止漏电以及短路情况发生。电池正极整体封闭，正极内部电解液不流动，简化了电池结构。同时，通过使用把碳毡封闭在密闭空间内的结构来做成电池负极，阻止了电池每次开启时发生的析氢副反应，提高了电池寿命的同时也提高了电池的安全性。电池正负极使用同一种电解液，电解液可以通过离子交换膜任意互混而不影响电池性能。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种锌镍单液流电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆，负极电解液储罐、负极循环管路、泵；单电池包括从下到上依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，负极电解液储罐中的负极电解液经泵流经负极，正极电解液不流动且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有正极活性物质，正极活性物质组成为氢氧化镍；负极为柔性电极，正负电解液相同，均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。
负极柔性电极为碳毡。
正极活性物质在正极上的涂敷量为0.5g/cm2～1g/cm2。
负极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，负极厚度4-5mm；正极被封闭在电极框内，电极框厚度6-9mm，正极厚度8-10mm。
正负极电解液中碱为Ba(OH)2、NaOH、KOH、LiOH中的一种或两种以上，可溶性锌盐中锌离子浓度为0.4mol/L～0.5mol/L，碱性水溶液浓度为 4mol/L～7.5mol/L。
电池隔膜为离子传导膜。电池中使用离子交换膜或者多孔传导膜，通过电池内部离子的流动与外电路电子的定向运动构成电流回路。
本实用新型的有益效果：
本实用新型针对传统锌镍单液流电池，单电堆内部无法进行单电池串联的问题，通过在正负极之间加离子交换膜，构筑正负极电解液分离的电池体系，使得电池可以在单节基础上进行多节串联，提高单电堆的输出电压，提高电池能量密度以及功率密度。每节之间正负极电解液不互混，阻止漏电以及短路情况发生。
正极被整体封闭，且电解液不流动，减少了一个循环泵负载和一个储液罐，简化了电池结构，提高了电池能量密度。
负极为柔性电极替代传统的泡沫镍，将柔性负极材料封闭在电极框的密闭空间的结构来做成电池负极，当电池停止运行时，负极内部只有少量电解液残留，这样大大减少沉积在负极的锌单质的溶解量，保证电池再次开启时，负极仍有锌单质，阻止了电池每次开启时发生的析氢副反应，提高了电池寿命的同时也提高了电池的安全性。
正负极使用同一种电解液，解决了传统双液流电池正负极电解液不能互混的问题。可以使电池不受正负极电解液互混而带来的影响，保证电池的循环稳定性。
由于电池正极使用在碳毡基底上涂覆氢氧化镍的方法制作，活性物质量可以自由掌控，使得电池正极容量相比于传统锌镍单液流电池正极大幅提高，导致电池容量大幅提高。
本实用新型中的锌镍单液流电池，其正极内电解液不流动。在电池运行过程中，正负极电解液中锌离子浓度发生改变，导致正负极电解液会通过隔膜进行少量的迁移，这样使得原本不流动的正极电解液含量发生微小变化。若电池纵向竖直放置，正极内电解液不能保证时刻被充满，导致电极最顶部活性物质与电解液分离，影响电极反应的均匀性，导致电池极化变大。若电池水平放置(正极在下)，在重力作用下，正极内电解液会时刻保持充满状态，且分布均匀，降低电池极化，提高电池性能。
附图说明
图1为传统的锌镍单液流电池结构示意图；
图2为传统的锌镍单液流电池在40mA/cm2下运行电池性能；
图3为本实用新型的锌镍单液流电池结构示意图，其中1正负极端板； 2、正、负极极集流体；3、正、负极电极框以及内部的正、负极；4、离子传导膜；5、负极电解液储液罐；6、泵
图4为实施例1组装的锌镍单液流电池在40mA/cm2下运行电池性能。
具体实施方式
实施例
锌镍单液流电池由2节以上单电池串联而成的电堆，负极电解液储罐、负极循环管路、泵；单电池包括从下到上依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，负极电解液储罐中的负极电解液经泵流经负极，正极电解液不流动且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有氢氧化镍；负极为沉积型碳毡电极，正负电解液均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。正极活性物质在正极上的涂敷量为0.8g/cm2，负极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度3mm。正极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极框厚度8mm。正负极有效面积6*6cm；正极集流体材质为石墨，正负极电解液中碱为KOH，可溶性锌盐中锌离子浓度为0.4mol/L，碱性水溶液浓度为5mol/L。
电池隔膜为多孔离子传导膜。
电池结构见图1，电池40mA/cm2运行性能指标见图2。
如图所示，在电流密度为锌镍单液流电池在40mA/cm2的条件下，对比传统锌镍单液流电池性能(能量效率78％左右)，本实用新型的锌镍单液流电池的电池性能(能量效率83％)有明显提高。本实用新型中，正负极及之间采用加装电池隔膜的方法，相比于传统结构大大缩短了极间距，导致能量效率升高。从电池的循环稳定性来看，本实用新型的锌镍单液流电池库伦效率没有衰减，这也证明了电池在经历过初期的活化之后，并没有析氢副反应发生。

Claims (5)

1.一种锌镍单液流电池，其特征在于，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆，负极电解液储罐、负极循环管路、泵；单电池包括从下到上依次叠合的正极端板、正极集流体、置于正极电极框内的正极、电池隔膜、置于负极电极框中的负极、负极集流体、负极端板，负极电解液储罐中的负极电解液经泵流经负极，正极电解液不流动且被密封在正极集流体、正极电极框、正极、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其中正、负极为柔性电极，正、负电解液相同，均为含可溶性锌盐的碱性水溶液。
2.根据权利要求1所述的锌镍单液流电池，其特征在于，其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有正极活性物质，正极活性物质组成为氢氧化镍；涂敷有活性物质的一面靠近电池隔膜，负极柔性电极为碳毡。
3.根据权利要求1或2所述的锌镍单液流电池，其特征在于：正极活性物质在正极上的涂敷量为0.5g/cm2～1g/cm2。
4.根据权利要求1所述的锌镍单液流电池，其特征在于：负极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，负极厚度4-5mm；正极被封闭在电极框内，电极框厚度6-9mm，正极厚度8-10mm。
5.根据权利要求1所述的锌镍单液流电池，其特征在于，电池隔膜为离子传导膜。
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