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CN112928298B - 一种锌溴单液流电池结构 - Google Patents

一种锌溴单液流电池结构 Download PDF

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Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
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Abstract

本发明涉及一种在中性锌溴液单液流电池中电极内部结构，属于液流电池领域。该方法是对现有锌溴单液流电池电极框结构进行改进，来达到，正极：保证生成的溴单质全部附着在碳毡上，负极：阻止负极锌枝晶生长进负极电解液主流道内，从而使电池放电更充分，提高电池性能。该方法具有操作简单，工艺稳定，应用效果明显等优点。使用本发明方法制作锌溴单液流电池，可以有效提高电池库仑效率，提高电池寿命。

Description

一种锌溴单液流电池结构
技术领域
本发明涉及一种锌溴单液流电池结构。
技术背景
随着化石能源的日益枯竭，风能、太阳能等可再生能源的开发利用成为各国关注的焦点。由于风能、太阳能受天气等因素影响具有不连续、不稳定性，这会在可再生能源发电并网过程中电网造成冲击，影响供电质量及电网稳定。储能技术则可解决这一问题，保证可再生能源发电并网的高效稳定运行。储能技术主要分为物理储能和化学储能两大类。其中以全钒液流电池和锌溴液流电池为代表的化学储能由于具有功率和容量相互独立、响应迅速、结构简单、易于设计、循环寿命长、环境友好等诸多优点在规模化储能上最具优势。锌溴液流电池电解液由于价格便宜、资源丰富、来源广泛相比于全钒液流电池电解液更具优势。
对于锌溴体系液流电池，电池负极锌枝晶堵塞流道问题一直制约着电池的发展。在电池充电过程中，负极中生成的锌枝晶形貌无规则，极易出现个别部位锌单质积累过多的情况，进而堵塞电解液流道，使负极电解液流动不顺畅，由于锌离子供应不足，导致电池负极发生析氢副反应，影响电池性能。对于锌溴单液流电池，因其特殊的单液流结构，正极电解液不流动，在充电过程中正极生成的溴单质全部被封闭在电极框内，且溴分子只能通过可以导电的碳毡纤维来进行得电子变成溴离子的反应，因此必须保证正极的溴分子全部与碳毡纤维接触。
一种锌溴单液流电池结构，对正负极电极框内部结构进行重新设计，正极电极框内部全部被碳毡填满，保证正极在充电过程中生成的溴分子全部附着在碳毡上；负极电极框内部，在进出液流道口与碳毡之间留有空腔，保证在碳毡上沉积的锌单质不直接与流道口接触，防止累积的锌单质堵塞流道口，进而影响负极内部电解液流动。使用该结构运行的锌溴单液流电池，抑制了正极溴分子的积累，提高了负极锌沉积溶解稳定性，提高了电池库伦效率，提高了电池运行稳定性。
发明内容
本发明结合锌溴单液流电池的结构特点，对正负极电极框内部结构进行重新设计，使用正极全部用碳毡填满负极留有空腔的设计来提高电池库伦效率和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
将正极电极框镂空部分设计为矩形(长：40cm，宽：30cm)且该矩形即为正极电极形状，正极使用的碳毡形状与电极框内镂空部分完全相同，保证正极电极框内全部被碳毡填满无空腔。负极电极框内，将碳毡与电解液液进出液口使用空腔隔开，让碳毡不与电解液进出液口接触，保证负极在充电过程中生成的锌单质不能直接接触电解液流道口，防止累积的锌堵塞流道。
一种锌溴单液流电池结构，该电池包括一节处于正极端板和负极端板之间单电池或处于正极端板和负极端板之间的两节以上单电池顺序串联而成的电堆，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，电解液储罐中的电解液经泵流经负极电极框、负极集流体、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；正极电解液充填于正极电极框、正极集流体、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其特征在于：负极电极框为一中部带有通孔的平板，其上下二侧分别设有负极电解液进口和出口，负极电解液进口经进口分配流道与中部通孔相连通，负极电解液出口经出口分配流道与中部通孔相连通，矩形负极置于中部通孔内，且于矩形负极的上下二侧分别与相应的进口分配流道和出口分配流道之间留有空隙，矩形负极左右二侧分别与中部通孔的左右二侧内壁面相贴接；
正极电极框为一中部带有通孔的平板，正极置于中部通孔内，且正极的四周边缘均与中部通孔的内壁面相贴接。
正极和正极电极框中部通孔的形状和尺寸相同。其中正极为柔性电极，负极也为柔性电极，正负极电解液相同；电解液为溴化锌和氯化钾的混合水溶液，其中含有终浓度为2-5M溴化锌、1—3M氯化钾或氯化铵，溴化锌与添加剂的摩尔比为7：1-4：1，优选5：1。正、负极柔性电极均为碳毡。
正极电极框内，碳毡全部充满腔体，负极的电极框内碳毡没有全部填满，靠近进出液端留有空腔。
负极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，负极厚度4-6mm；正极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，正极厚度4-6mm。
电池隔膜为离子传导膜。
正极电解液封闭在正极电极框内，负极电解液来自储液罐，用一个泵进行电解液循环。
负极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体表面的截面中部为矩形、上部为与矩形共边的梯形、下部为与矩形共边的倒梯形，负极和负极电极框中部通孔矩形处的形状和尺寸相同。
本发明的有益效果：
使用本发明电池结构运行的锌溴单液流电池，电池库伦效率相比于传统结构运行的锌溴单液流电池高2％～3％。正极电极框内部全部被碳毡填满，保证正极在充电过程中生成的溴分子全部附着在碳毡上；负极电极框内部，在进出液流道口与碳毡之间留有空腔，保证在碳毡上沉积的锌单质不直接与流道口接触，防止累积的锌单质堵塞流道口，进而影响负极内部电解液流动。使用该结构运行的锌溴单液流电池，抑制了正极溴分子的积累，提高了负极锌沉积溶解稳定性，提高了电池库伦效率，提高了电池运行稳定性。
该方法成本低，见效快，操作简单。短时高效的解决了锌溴单液流电池库伦效率偏低且稳定差的问题，可大大推动锌溴单液流液流电池的发展。
附图说明
图1为对比例1的结构示意图，其中a为正极电极框结构，b为负极电极框结构；
图2为对比例2的结构示意图，其中a为正极电极框结构，b为负极电极框结构；
图3为实施例1的结构示意图，其中a为正极电极框结构，b为负极电极框结构。
具体实施方式
实施例1
使用本发明设计的结构，正极电极框内不留空腔，负极电极框内留有空腔的结构运行锌溴单液流电池，考察其性能及稳定性。(图中斜线阴影部分为碳毡电极)。正极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体截面中部为矩形，且正极的四周边缘均与中部通孔的内壁面相贴接，正极电解液封装在正极电极框中部矩形内部。负极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体表面的截面中部为矩形、上部为与矩形共边的梯形、下部为与矩形共边的倒梯形；矩形负极置于通孔中部形状相同的矩形位置内，其上下二侧分别设有负极电解液进口和出口，负极电解液进口经进口分配流道与中部通孔相连通，负极电解液出口经出口分配流道与中部通孔相连通，矩形负极的上下二侧分别与相应的进口分配流道和出口分配流道之间留有梯形空隙，矩形负极左右二侧分别与中部通孔的左右二侧内壁面相贴接。正负极均为柔性碳毡，正负极电解液均为溴化锌和氯化钾的混合水溶液，其中含有终浓度为2M溴化锌、3M氯化钾，溴化锌与添加剂的摩尔比为5：2。
对比例1
与实施例1不同之处在于，负极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体截面中部为矩形，且正极的四周边缘均与中部通孔的内壁面相贴接，正极电解液封装在正极电极框中部矩形内部。其它同实施例1。
对比例2
与实施例1不同之处在于，正极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体截面中部为矩形、上部为与矩形共边的梯形、下部为与矩形共边的倒梯形；矩形负极置于通孔中部形状相同的矩形位置内，其上下二侧分别设有负极电解液进口和出口，负极电解液进口经进口分配流道与中部通孔相连通，负极电解液出口经出口分配流道与中部通孔相连通，矩形负极的上下二侧分别与相应的进口分配流道和出口分配流道之间留有梯形空隙，矩形负极左右二侧分别与中部通孔的左右二侧内壁面相贴接。其它同实施例1。
实施例1中，正极电极框内部全部被碳毡填满，保证正极在充电过程中生成的溴分子全部附着在碳毡上；负极电极框内部，在进出液流道口与碳毡之间留有空腔，保证在碳毡上沉积的锌单质不直接与流道口接触，防止累积的锌单质堵塞流道口，进而影响负极内部电解液流动。使用该结构运行的锌溴单液流电池，抑制了正极溴分子的积累，提高了负极锌沉积溶解稳定性，提高了电池库伦效率，提高了电池运行稳定性。
对比例1中，负极进出液流道口与碳毡之间不留空腔，负极积累的锌单质会直接堵塞负极流道，导致负极电解液流动不顺畅，进而增大负极极化，影响电池稳定性。
对比例2中，正负极电极框对称设计，正负电极与电极框内的电解液进出液口之间留有空隙，在充电过程中，正极生成的溴单质不可避免进入空隙区域，进入空隙区域的溴单质在放电过程中，该部分溴单质不能得到电子变成溴离子，导致正极放电不完全，影响电池库伦效率，进而影响电池稳定性。
Figure BDA0002305888230000031
锌溴单液流电池性能，充电60mins@电流密度40mA/cm2放电@电流密度40mA/cm2。

Claims (9)

1.一种锌溴单液流电池结构，该电池包括一节处于正极端板和负极端板之间单电池或处于正极端板和负极端板之间的两节以上单电池顺序串联而成的电堆，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，电解液储罐中的电解液经泵流经负极电极框、负极集流体、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；正极电解液充填于正极电极框、正极集流体、电池隔膜所围绕成的密闭腔室中；其特征在于：负极电极框为一中部带有通孔的平板，其上下二侧分别设有负极电解液进口和出口，负极电解液进口经进口分配流道与中部通孔相连通，负极电解液出口经出口分配流道与中部通孔相连通，矩形负极置于中部通孔内，且于矩形负极的上下二侧分别与相应的进口分配流道和出口分配流道之间留有空隙，矩形负极左右二侧分别与中部通孔的左右二侧内壁面相贴接；
正极电极框为一中部带有通孔的平板，正极置于中部通孔内，且正极的四周边缘均与中部通孔的内壁面相贴接。
2.根据权利要求1所述锌溴单液流电池结构，其特征在于，正极和正极电极框中部通孔的形状和尺寸相同。
3.根据权利要求1所述锌溴单液流电池结构，其特征在于，其中正极为柔性电极，负极也为柔性电极，正负极电解液相同；电解液为溴化锌和氯化钾的混合水溶液，其中含有终浓度为2-5M 溴化锌、1-3M氯化钾或氯化铵。
4.根据权利要求3所述的锌溴单液流电池结构，其特征在于，正、负极柔性电极均为碳毡。
5.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池结构，其特征在于：正极电极框内，碳毡全部充满腔体，负极的电极框内碳毡没有全部填满，靠近进出液端留有空腔。
6.根据权利要求1或5所述的锌溴单液流电池结构，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4-6mm;正极被封闭在电极框内，电极框厚度2.5-4mm，正极厚度4-6mm。
7.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池结构，其特征在于，电池隔膜为离子传导膜。
8.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池结构，其特征在于，正极电解液封闭在正极电极框内，负极电解液来自储液罐，用一个泵进行电解液循环。
9.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池结构，其特征在于，负极电极框为中部带通孔平板，通孔平行板体表面的截面中部为矩形、上部为与矩形共边的梯形、下部为与矩形共边的倒梯形，负极和负极电极框中部通孔矩形处的形状和尺寸相同。
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