[发明专利]液流电池堆或单电池、电极-隔膜复合组件及其复合电极结构

说明书

本发明公开了液流电池堆或单电池、电极‑隔膜复合组件及其复合电极结构。所述复合电极由各向不均匀且材质不单一的电极材料复合成薄型非对称结构，以石墨毡和/或石墨纤维碳纸为基础，在至少一侧的外表层涂覆沉积有石墨粉层，增大了电极反应比表面积、减小了电极厚度，进而提高了电极活化性及能量转换效率。电极‑隔膜组件设置为集成封装复合结构，针对不同厚度的上述复合电极设计不同的封装结构，机械强度高、组件性能稳定。液流电池堆或单电池采用流场板或双极板配合电极‑隔膜集成封装结构，针对不同厚度的上述复合电极设计不同的流场板或双极板结构，有效提升了电池各项性能。

技术领域

本发明涉及新能源储能技术领域，具体涉及一种可充放电的电化学液流电池技术，尤其涉及液流电池堆、液流电池单电池、电极-隔膜复合组件及其复合电极结构。

背景技术

近年来，随着通过减少化石能源利用以降低二氧化碳及污染物排放来改善全球自然环境的呼声高涨，从而利用新能源发电的规模快速增长以期逐步取代传统化石能源的趋势不可逆转，但是为弥补新能源发电的波动、间歇性，对储能技术的需求越来越迫切。而由于储能技术的发展相对于新能源发电技术的发展有很大滞后，目前储能技术已经成为了新一代智能电网(或智慧高效电网)规模化利用新能源发电的平台建设的瓶颈。

电力储能方式主要包括机械储能(例如，抽水蓄能、压缩空气储能、蓄热、蓄冰储能、飞轮储能等)、电化学储能(例如，钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器、氢燃料电池等)和电磁储能(例如，超导电磁储能)等储能类型。若以能量密度、效率、规模、循环寿命和成本等指标综合衡量，最佳的配合新一代电网的技术则是液相流体储能电池技术。这是由于液相流体储能电池具有以下优势：(1)能量储存密度较高，能达到10～30Wh/kg，能量转换效率能达到60％～85％；(2)功率与容量可以分开独立设计，充放电反应迅速，适用范围广泛；(3)可以应用于削峰填谷，也可以做备用电源或者应急电力供给，还可以应用于提高电力的质量等。

随着新能源发电技术迅速发展的需求，液流电池的发展与应用在全球受到了广泛重视，尤其是在中国，关于液流电池的项目得到了地方与国家层面的重视与扶持。目前，中国各地已经开始了多个液流电池的重大项目建设：2016年国家批准的大连200MW/800MWh液流电池调峰电站项目，2021年国家电投湖北绿动中钒新能源有限公司100MW/500MWh全钒液流电池储能项目，预示着全钒液流电池(VRB)技术已经进入规模化储能电站应用市场；2020年250kW/1.5MWh铁-铬液流电池储能示范项目投入运行，铁-铬液流电池技术崭露头角。可见，液流电池技术的发展有着更广阔的前景，深入研究与改善液流电池的关键技术至关重要。

液相流体电池的电化学氧化还原反应体系有全钒V/V电池(VRB)、多硫化钠-溴(NaSx/Br)电池、锌-氯(Zn/Cl₂)或锌-溴(Zn/Br₂)电池和铁-铬(Fe/Cr)电池。其中，VRB和Fe/Cr液流电池体系正负极均为完全的液流状态，相对于其它的固态电池或者单液流电池，具有以下明显的优越性：寿命长、性能稳定、成本低、设计灵活、易规模化放大，建设不受地域限制，而且安全可靠。

显然，在液流电池系统中，核心是(单)电池或电池堆(由多个电池单元叠加而成)，其作用是将电能转化为化学能而储存在电解质溶液中，然后在需要时再将电解质溶液中的化学能转换为电能释放到电网或者外部负荷。而电池或电池堆内部的最重要部件之一则是正负极腔中的电极，电极的材料与结构严重影响电池或电池堆的性能，即影响着在一定过电位和电压效率下的电流密度大小，亦即功率密度大小。

在以往的液流电池技术中，单电池或电池堆内部的电极大多采用碳毡或石墨毡材料，二者的材料性能与热处理温度如下表1所示：

表1