[发明专利]一种半固态液流电池

说明书

技术领域

本发明属于化学储能电池技术领域，尤其涉及液流电池系统。

背景技术

太阳能、风能等可再生能源的发展和应用是解决当今社会能源供给、环境保护问题的有效途径，但受到其波动性、间歇性和分散性特点的制约，影响了可再生能源技术的广泛应用。在发电技术和智能电网建设的市场需求拉动下，液流电池受到越来越多的关注。

液流电池也称为氧化还原液流电池，是一种大规模高效电化学储能装置，通过反应活性物质的价态变化，实现电能与化学能相互转换与能量存储。目前的液流电池系统由电堆单元、电解质溶液及其储液罐、控制管理单元等部分组成。电堆单元是由数十节进行氧化-还原反应的电池单体通过双极板按特定要求串联而成的电池堆，是液流电池系统的核心。在液流电池中，活性物质溶解于电解液中，具有不同氧化还原电对的正极电解液和负极电解液分别储存在不同的储液罐中，利用外接泵把电解液从储液罐压入电池堆，在电池内部，正、负极电解液被离子交换膜隔开，离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应，实现充放电。反应后电解液流回储液罐，在储液罐和电池堆的闭合回路中进行循环流动。

液流电池的特点在于：1)活性物质为可溶于电解质溶液中的不同价态的金属离子，所述金属离子在电池工作过程中被氧化或还原，仅离子价态发生变化；2)输出功率和容量可以独立设计，输出功率取决于电池堆的大小和数量，而储能容量取决于电解液的容量和浓度，电解液通过储液罐存放于电池外部，使电池容量可以很大。

从理论上讲，离子价态变化的离子对可以组成多种氧化还原液流电池，如铁-铬电池、铁-钛电池、铁-钒电池、钒-铬电池、钒-溴电池、锌-溴电池、多硫化钠-溴电池等，全钒液流电池因其避免了正负极活性物质交叉污染的问题而被认为是最具产业化前景的液流电池。

液流电池具有系统设计灵活、无静置损失、易于维护等优点，但由于活性物质只能在电极表面发生氧化还原反应，反应面积有限，虽然可以对电极材料进行各种形式的表面处理和改性，仍存在电池能量密度相对较低、工作电流密度低的问题。目前，液流储能电池运行的工作电流密度＜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，成本攀高。

发明内容

针对目前液流电池电流密度较低的问题，本发明提供一种新型半固态液流电池，关键在于所述半固态液流电池电解液中添加固态电极颗粒，从而形成电极悬浮液。所述固态电极颗粒具有催化活性和电子导电性，可以增加电解液中活性物质的电化学反应面积，同时形成导电网络，提高工作电流密度，改善电池倍率特性。同时，由于悬浮液中导电网络的形成，本发明的半固态液流电池将现有液流电池中的电池单体串联结构改为并联结构。

本发明中提及到的半固态液流电池的部件与常规液流电池的部件在术语方面存在差异。常规液流电池中电极活性溶液通常称为电解液，本发明中将加入固态电极颗粒之前的溶液称为电解液，加入固态电极颗粒之后的溶液称为电极悬浮液，具体称为正极悬浮液和负极悬浮液；常规液流电池中，在其上发生氧化还原反应且电子在这里传输到外电路或由外电路传入的非电化学活性部件称为电极，以及具有收集电化学反应产生的电流和分隔正负极电解液的电化学活性部件称为双极板，在本发明中，具有与所述电极或双极板相同或相似作用的部件称为集流体。

本发明所述半固态液流电池，包括电池堆、正极储液罐、负极储液罐和流体驱动系统，其中所述电池堆由一个电池单体构成或由多个电池单体并联而成，所述电池单体又包括：正极反应腔和负极反应腔，以及用于分隔所述正极反应腔和负极反应腔的离子交换膜，位于正极反应腔内的正极集流体和位于负极反应腔内的负极集流体；正极电解液在流体驱动系统驱动下在正极储液罐和正极反应腔连接而成的正极循环回路中流动；负极电解液在流体驱动系统驱动下在负极储液罐和负极反应腔连接而成的负极循环回路中流动；其特征在于：电化学活性物质以离子形式溶解于正极电解液和负极电解液中，在正极电解液和/或负极电解液中还包含固体电极颗粒，从而形成正极悬浮液和/或负极悬浮液，该固态电极颗粒具有电化学催化活性和导电性，但本身不参与电化学氧化还原反应。

正极反应腔限定了容纳所述正极电解液的正电活性区域；而负极反应腔限定了容纳所述负极电解液的负电活性区域。