[发明专利]一种液流电池用复合电极及液流储能电池

说明书

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流储能电池领域，特别涉及全钒液流储能电池的电极。

背景技术

全钒液流储能电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。

与普通化学电源电极的功能不同，液流储能电池的电极是化学储能系统充、放电反应的场所，该种电池的电极本身不参与电化学反应，电解质溶液中的活性物质在电极表面接受或给出电子来完成电池化学反应，进行电能与化学能之间的转变而实现能量的存储或释放。

电极作为液流储能电池的关键部件之一，其性能对液流储能电池的影响极大。其电导率直接影响着电池的欧姆内阻；其表面与电解液的亲和作用力会影响到活性物质在电极界面的传输速率；它的电化学催化活性也将直接决定电化学反应的本征反应速率，总之，电极材料影响着电池的电化学极化、浓差极化和欧姆极化，涉及到了电池电化学阻抗的全部组成要素。这些要素在极大程度上影响着电池的工作电流密度和能量效率。

目前，液流储能电池运行的工作电流密度较低（<100mA/cm²），仅为质子交换膜燃料电池工作电流密度的十分之一，造成电池模块体积大，材料需求量大，成本高。而工作电流密度的提高可以提高电池的功率密度，降低整个系统的成本，减少储能系统的占地面积和空间，提高其环境适应能力及系统的可移动性，扩展液流储能电池的应用领域。

提高液流储能电池的工作电流密度需要尽可能地减小电池极化，即欧姆极化、电化学极化和浓差极化，降低电压损耗。

目前已公开的专利文献中针对减小液流储能电池极化的方法主要有：

（1）对电极材料如石墨毡、碳纸等进行金属化或氧化改性处理，在碳纤维表面修饰上金属离子或者含氧官能团，提高电极的电催化活性，减小电池的电化学极化，如专利CN 101465417A和CN 101182678A中公开的对石墨毡进行电化学氧化的方法。但该种方法只是减小了电池的电化学极化，对减小电池的欧姆极化没有帮助。而欧姆极化的减小对于提高电池的工作电流密度而言更加重要，因为电化学极化与电流的对数成正比，而欧姆电压降则和电流的大小成正比。因此，随着工作电流密度的提高，电池欧姆内阻的影响会越来越大。

（2）研究和开发电极与双极板一体化的复合电极，即一体化电极双极板来降低电极双极板间的接触电阻。如CN 101009376A中公开的，将双极板与多孔电极通过导电粘结材料粘结在一起形成一体化电极双极板。然而，全钒液流储能电池的欧姆内阻主要包括电极、双极板、电解液和隔膜的本体电阻以及电极与双极板间的接触电阻。该方法只是减小了电极双极板间的接触电阻，对占电池内阻比重较大的电极和电解液的本体电阻并无影响，因此对于电压效率和能量效率的提高程度有限。

发明内容

本发明旨在提供一种液流储能电池用复合电极，其具有高电催化活性和低面电阻，能够降低液流储能电池的欧姆内阻，提高电池的工作电流密度，以达到提高电池功率密度的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

如图1所示，一种液流储能电池用复合电极，所述复合电极由包括相互叠合的导电层和催化层组成，导电层具有导电性好、孔隙率低特点，催化层具有电催化活性高的特点，导电层厚度占电极总厚度的10~90%，优选40~75%。

所述导电层为碳素类材料，孔隙率为0~80%，优选0~50%。

所述碳素类材料为无孔石墨板、柔性石墨板、体密度为0.2~1.0gcm^-3的石墨毡或碳毡。

所述催化层为碳毡或石墨毡，体密度为0.05~0.2gcm^-3，孔隙率为80~95%，优选88~95%。

所述复合电极通过将导电层与催化层用导电胶粘结的方式制备而成。

所述导电胶由聚合物与导电填料组成，其中聚合物与导电填料的质量比为1/2~1/9。

所述聚合物为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂或聚偏氟乙烯中的一种或二种以上；所述导电填料为石墨、碳黑、乙炔黑或碳纤维中的一种或二种以上。

所述复合电极还可以在电池装配过程中，在电极框中依次放入导电层和催化层，通过机械压紧的方式组装在一起。