CN104852083B - 一种液流形式的锂硫电池储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开并提供了一种安全、高效、快捷，同时兼具高容量、循环稳定的液流形式的锂硫电池储能系统。所述锂硫电池储能系统包括外部安全壳、设置在所述外部安全壳上端的正极电极和负极电极、设置在所述外部安全壳内部的正负极隔板驱动系统和正极电池液循环冷却系统以及负极电池液循环冷却系统，所述正极电池液循环冷却系统包括正极储液罐、通过正极循环管道与所述正极储液罐连通的正极板式换热器，所述正极储液罐内设置有将正极活性物质弥散于电解液中的正极液流，所述负极电池液循环冷却系统包括负极储液罐、通过负极循环管道与所述负极储液罐连通的负极板式换热器，所述负极储液罐内设置有将负极活性物质弥散于电解液中的负极液流，以液流形式实现锂离子与硫离子的反应充放电过程。

Description

一种液流形式的锂硫电池储能系统

技术领域

本发明涉及一种液流形式的锂硫电池储能系统。

背景技术

电池被广泛应用于各种领域，从电动汽车、手持设备到微芯片。随着社会与科技的进步，人们的生活方式对电池性能提出了更高要求，世界各国研究者也一直致力于研发更好的化学电源。锂二次电池是20世纪90年代发展起来的绿色电源，因其具有高可逆容量、高电压、高循环性能和较高能量密度等优异性能而备受青睐，被称为21世纪的主导电源。

锂硫电池是正在开发的二次电池体系中具有最高能量密度的一种，尤其近些年，以其不可比拟的高比容量和能量密度以及材料价格低廉、存储量大等优越性受到越来越多的研发人员的重视。传统的锂硫电池，都是将活性物质硫或其化合物固定于正极，假设正极的硫完全转化为硫化锂，则可释放出的理论比容量为1672mAh/g，理论比能量密度为2600Wh/kg，比目前商用的金属氧化物等正极材料高出了数量级的性能，是高性能锂二次电池的代表和方向，为电动车，混合动力车、航空航天等高耗能器件提供持久的能量，也可以做成廉价高效的储能系统。但是，锂硫电池也存在一些问题阻碍了其发展，如：硫的导电率较低，在充放电过程中产生的多硫化锂中间产物易溶于有机电解质从而使得正极活性材料的流失，沉淀在负极表面的多硫化物可加剧负极的腐蚀从而使负极内部阻抗增加，最终导致电池容量的不可逆衰减。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安全、高效、快捷，且电池放电容量高、循环性能稳定的液流形式的锂硫电池储能系统。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括外部安全壳、设置在所述外部安全壳上端的正极电极和负极电极、设置在所述外部安全壳内部的正负极隔板驱动系统和正极电池液循环冷却系统以及负极电池液循环冷却系统，所述正极电池液循环冷却系统包括正极储液罐、通过正极循环管道与所述正极储液罐连通的正极板式换热器，所述正极储液罐内设置有将正极活性物质弥散于电解液中的正极液流，所述负极电池液循环冷却系统包括负极储液罐、通过负极循环管道与所述负极储液罐连通的负极板式换热器，所述负极储液罐内设置有将负极活性物质弥散于电解液中的负极液流，以液流形式实现锂离子与硫离子的反应充放电过程。

进一步的，所述正负极隔板驱动系统包括正极隔板、负极隔板、渗透膜、隔板挤液刷、隔板槽、激活信号接线柱及内部控制电路，所述渗透膜设置在所述正极隔板与所述负极隔板之间，所述隔板槽设置在所述正极隔板和所述负极隔板的上方，所述激活信号接线柱设置在所述隔板槽的顶部并露出所述外部安全壳，所述内部控制电路设置在所述隔板槽内部并与所述激活信号接线柱电连接，通过电信号对所述正极隔板和所述负极隔板实现自动开阖。

进一步的，所述正极电池液循环冷却系统还包括设置在所述正极储液罐上且与所述正极电极电连接的正极接线柱，所述负极电池液循环冷却系统还包括设置在所述负极储液罐上且与所述负极电极电连接的负极接线柱，所述渗透膜为能保证锂离子自由透过且可抑制硫离子通过的离子选择性渗透膜。

进一步的，所述渗透膜是由丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈中至少一种制成的渗透膜。

进一步的，所述外部安全壳为抗腐蚀及有较强硬度的金属材料制成。

进一步的，所述负极活性物质为锂单质或其化合物，其均匀弥散于电解液中。

进一步的，所述正极活性物质为硫单质或其化合物，所述正极活性物质与复合层为核，包覆层为壳，形成核壳结构后再均匀弥散于电解液中。

进一步的，所述复合层为石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯或金属氧化物中的至少一种，以颗粒状排布在所述正极活性物质的周围，并形成可供锂离子进出的通道。

进一步的，所述包覆层为导电聚合物，所述导电聚合物中设有环氧乙炔、水溶性聚苯胺、聚噻吩中的至少一种以增加正极的导电性。

进一步的，所述电解液包括有机溶剂和锂盐。

本发明的有益效果是：本发明采用传统锂硫电池与液流电池相结合的思路，构造一个全液流形式的电池系统，通过将正负极活性物质均匀弥散在电解液中，并设置中间离子选择性渗透膜，有效抑制正极硫的不溶化合物支晶，沉淀，穿梭效益等问题。同时，设置正负极非能动电池液自然循环冷却系统以及隔板驱动系统，为电池系统提供一个温度恒定、电池液均匀以及安全可靠的环境。本发明与现有技术相比，具有以下突出优点及效果：

1.外部安全壳封闭，为内部电池核心部分提供保护屏障，提高整个电池系统的安全性，保证了锂硫电池的安全、稳定的运行。

2.正负极隔板驱动系统，隔板将正负极电池液及渗透膜有效分隔开来，并能在外部电信号的作用下，进行自动开阖。通过外部电信号来调节隔板开阖大小，以控制正负极电池液反应接触面积从而调节正负极电池液的反应性，进而调节电池电量。

3.由于隔板能够活动自如，当正负极隔板完全关闭时，可有效将中间渗透膜隔开，便于更换中间渗透膜；当正负极隔板完全打开时，便于更换正负极隔板。

4.此外，在交通事故或其他外部影响造成隔板驱动电路损坏，失去电源，隔板将依靠重力自然落下，从而迅速切断正负极反应，缓解后续影响，提高电池的安全性。

5.离子选择性渗透膜，保证了负极锂离子的自由通过，及有效阻止了硫离子的通过，抑制了飞梭效应，提高了锂硫电池的电化学性能；

6. 正负极非能动电池液自然循环冷却系统，由于板式换热器的存在，使储液罐和循环管路端的电池液存在密度梯度，电池液由密度高的地方向密度低的地方自然流动，产生自然循环效果。一方面有利于电池液中活性物质的均匀分布，增加正负极活性物质的反应效率，降低硫化锂及锂的支晶等不溶物质的形成；另一方面有利于电池散热，循环管道增大了内部流体与外部空气的接触面积，使电池核心部分能够保持一个相对稳定的温度范围。

7.负极电池液为单质锂或其化合物弥散于电解液中形成，较之传统锂硫电池锂金属固态电极，提高了锂的接触面积，有利于锂离子在电解液中迁移。

8.正极活性物质为硫或其化合物复合石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯或钛、铝、镁等金属氧化物中一种或几种，形成纳米级活性物质包壳层，该包壳层做为硫单质载体，之后于包壳层外部包覆一层导电包覆层，形成核壳结构，包壳层和包覆层的作用一是通过抑制高价态聚硫离子的溶解及迁出，使其仅在层内反应，二是包壳层和包覆层为负极锂离子提供了可供进出的通道，保证了锂硫的反应效率。三是增加了导电性，从而在整体上提高了电池的放电性能和循环性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是正极活性物质的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括外部安全壳1、设置在所述外部安全壳1上端的正极电极2和负极电极3、设置在所述外部安全壳1内部且由正负极隔板驱动系统区分开的正极电池液循环冷却系统和负极电池液循环冷却系统，所述外部安全壳1为全封闭结构，呈长方形，其上部设所述正极电极2、所述负极电极3及激活信号接线柱4，其材料为不锈钢、碳钢等抗腐蚀及有较强硬度的金属材料，为内部电池核心部分提供保护屏障，提高整个电池系统的安全性，保证了锂硫电池的安全、稳定的运行。

在所述外部安全壳1的内部，所述正极电池液循环冷却系统包括正极储液罐5、通过正极循环管道6与所述正极储液罐5连通的正极板式换热器7、设置在所述正极储液罐5上且与所述正极电极2电连接的正极接线柱8，所述正极储液罐5内设置有将正极活性物质弥散于电解液中的正极液流，所述负极电池液循环冷却系统包括负极储液罐9、通过负极循环管道10与所述负极储液罐9连通的负极板式换热器11、设置在所述负极储液罐9上且与所述负极电极3电连接的负极接线柱12，所述负极储液罐9内设置有将负极活性物质弥散于电解液中的负极液流，以液流形式实现锂离子与硫离子的反应充放电过程，由于板式换热器的存在，使储液罐和循环管路端的电池液存在密度梯度，电池液由密度高的地方向密度低的地方自然流动，产生自然循环效果。一方面有利于电池液中活性物质的均匀分布，增加正负极活性物质的反应效率，降低硫化锂及锂的支晶等不溶物质的形成；另一方面有利于电池散热，循环管道增大了内部流体与外部空气的接触面积，使电池核心部分能够保持一个相对稳定的温度范围。

所述负极活性物质为锂单质或其化合物，其均匀弥散于电解液中，所述正极活性物质13为硫单质或其化合物，较之传统锂硫电池锂金属固态电极，提高了锂的接触面积，有利于锂离子在电解液中迁移；所述正极活性物质13与复合层14为核，包覆层15为壳，形成核壳结构后再均匀弥散于电解液中，所述复合层14为石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯或金属氧化物中的至少一种，以颗粒状排布在所述正极活性物质13的周围，并形成可供锂离子进出的通道，所述包覆层15为导电聚合物，所述导电聚合物中设有环氧乙炔、水溶性聚苯胺、聚噻吩中的至少一种以增加正极的导电性，所述复合层14和所述包覆层15的作用一是通过抑制高价态聚硫离子的溶解及迁出，使其仅在层内反应，二是所述复合层14和所述包覆层15为负极锂离子提供了可供进出的通道16，保证了锂硫的反应效率。三是增加了导电性，从而在整体上提高了电池的放电性能和循环性能。所述电解液包括有机溶剂和锂盐。

所述正负极隔板驱动系统包括正极隔板17、负极隔板18、渗透膜19、隔板挤液刷20、隔板槽21、所述激活信号接线柱4及内部控制电路，所述渗透膜19设置在所述正极隔板17与所述负极隔板18之间，所述隔板槽21设置在所述正极隔板17和所述负极隔板18的上方，所述激活信号接线柱4设置在所述隔板槽21的顶部并露出所述外部安全壳1，所述内部控制电路设置在所述隔板槽21内部并与所述激活信号接线柱4电连接，通过电信号对所述正极隔板17和所述负极隔板18实现自动开阖，所述渗透膜19为能保证锂离子自由透过且可抑制硫离子通过的离子选择性渗透膜，本发明中，所述渗透膜19是由丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈中至少一种制成的渗透膜，抑制了飞梭效应，提高了锂硫电池的电化学性能。

本发明可广泛应用于电池领域。

Claims (10)

1.一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述锂硫电池储能系统包括外部安全壳、设置在所述外部安全壳上端的正极电极和负极电极、设置在所述外部安全壳内部的正负极隔板驱动系统和正极电池液循环冷却系统以及负极电池液循环冷却系统，所述正极电池液循环冷却系统包括正极储液罐、通过正极循环管道与所述正极储液罐连通的正极板式换热器，所述正极储液罐内设置有将正极活性物质弥散于电解液中的正极液流，所述负极电池液循环冷却系统包括负极储液罐、通过负极循环管道与所述负极储液罐连通的负极板式换热器，所述负极储液罐内设置有将负极活性物质弥散于电解液中的负极液流，以液流形式实现锂离子与硫离子的反应充放电过程。

2.根据权利要求1所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述正负极隔板驱动系统包括正极隔板、负极隔板、渗透膜、隔板挤液刷、隔板槽、激活信号接线柱及内部控制电路，所述渗透膜设置在所述正极隔板与所述负极隔板之间，所述隔板槽设置在所述正极隔板和所述负极隔板的上方，所述激活信号接线柱设置在所述隔板槽的顶部并露出所述外部安全壳，所述内部控制电路设置在所述隔板槽内部并与所述激活信号接线柱电连接，通过电信号对所述正极隔板和所述负极隔板实现自动开阖。

3.根据权利要求2所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述正极电池液循环冷却系统还包括设置在所述正极储液罐上且与所述正极电极电连接的正极接线柱，所述负极电池液循环冷却系统还包括设置在所述负极储液罐上且与所述负极电极电连接的负极接线柱，所述渗透膜为能保证锂离子自由透过且可抑制硫离子通过的离子选择性渗透膜。

4.根据权利要求3所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述渗透膜是由丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈中的至少一种制成的渗透膜。

5.根据权利要求1所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述外部安全壳为抗腐蚀及有较强硬度的金属材料制成。

6.根据权利要求1所述一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述负极活性物质为锂单质或其化合物，其均匀弥散于电解液中。

7.根据权利要求1所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述正极活性物质为硫单质或其化合物，所述正极活性物质与复合层为核，包覆层为壳，形成核壳结构后再均匀弥散于电解液中。

8.根据权利要求7所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述复合层为石墨、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯或金属氧化物中的至少一种，以颗粒状排布在所述正极活性物质的周围，并形成可供锂离子进出的通道。

9.根据权利要求7所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统，其特征在于：所述包覆层为导电聚合物，所述导电聚合物中设有环氧乙炔、水溶性聚苯胺、聚噻吩中的至少一种以增加正极的导电性。

10.如权利要求1所述的一种液流形式的锂硫电池储能系统：其特征在于，所述电解液包括有机溶剂和锂盐。