电极浆液和浆液电极以及液流电池和电池堆制造技术

本发明专利技术涉及液流电池领域，公开了一种电极浆液和浆液电极以及液流电池和电池堆，所述电极浆液含有：电极颗粒以及含有活性物质的电解液；相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为10‑1000重量份。该浆液电极包括：双极板(1)、集流器(2)以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐(4)，双极板(1)相对的两面中，一面与集流器(2)相邻，另一面设置有浆液电极腔(5)，双极板(1)和浆液电极腔(5)之间贯穿设置有流道，使得电极浆液在浆液电极腔(5)和浆液电极储罐(4)之间循环流动。使用本发明专利技术提供的电极浆液的液流电池，在相同电流条件下，可以提供更高的更稳定的功率输出，且成本低廉。

Electrode slurry and slurry electrodes as well as liquid-flow batteries and stacks

【技术实现步骤摘要】
电极浆液和浆液电极以及液流电池和电池堆
本专利技术涉及液流电池领域，具体地涉及一种电极浆液、一种浆液电极以及一种液流电池和一种电池堆。
技术介绍
液流电池是一类适合于大规模储能的电化学储能技术，一般利用充放电过程中正极和负极液相中活性物质价态的变化实现能量的储存和释放。目前发展较为成熟的体系包括全钒液流电池、铁铬液流电池和锌溴液流电池。液流电池具有独立的能量单元和功率单元，能量单元一般指电池的正极和负极电解液，电解液中活性物质的浓度和体积决定了液流电池的能量上限，功率单元一般指单电池或者电池堆，电解液流过电池堆内的电极，活性物质在电极表面发生反应，从而将化学能转化为电能，或者将电能转化为化学能。液流电池一般使用流通型(flow-through)电极，电极材料由多孔的碳、石墨或者金属材料构成，包含活性物质的电解液通过管路输送至电极入口，并进入到电极内表面，在电极内表面与电解液接触的界面发生电化学反应，伴随着活性物质价态的改变和电子的得失，从而实现电能的储存和释放。电极表面积的大小决定了电池电流的大小，同时电极表面的孔结构影响活性物质的传递。增大电极表面积有利于提高电池产生更大电流的能力，但是会降低电极的孔径，从而限制活性物质的传递，因此电池无法在更高电流条件下工作，其性能提升遇到了瓶颈。Meng-ChanLi等(Nature,520(2015)325)报道了一种可充电的铝离子电池，该电池具有高功率特性。电池的负极反应是铝的沉积和溶解反应，正极反应是四氯化铝负离子的嵌入和脱嵌反应，其电解液采用不易燃的离子液体。电池的放电平台为2V，容量为70mAh·g-1，电流效率为98％。该电池具有很好的稳定性。但遗憾的是，该电池容量偏低，仍然与普通非液流电池一样，不具备容量和功率解耦的功能，很难进行大规模储能使用。全钒液流电池是一类研究较早，较为深入，并且具备较好商业化前景的液流电池。其利用溶于水溶液中的钒离子价态的变化实现能量的储存和释放。最早的专利报道可以追溯到1988年的美国专利“All-vanadiumredoxbattery”(US4786567)。该电池由于采用水溶液，不易燃，更无起火爆炸危险。同时电极反应区域和活性物存储区域独立，从而实现了功率与容量的结构，可以根据需要，单独进行输出功率和容量的设计。另外其具有寿命长，材料可回收利用等优点。但是其开路电压相对较低，输出功率偏低。同时，由于钒元素储量相对有限，原料价格偏高，储能成本昂贵。因此，其实际的商业化应用受到极大挑战。US20150125764A1中公布了一种流动型离子电池。其目的是使其兼具锂离子电池高电压、高功率的优势和液流电池功率与容量解耦的特性，使其既适用于电动车等领域，又适用于风电并网等大规模储能领域。但是由于其脱胎于锂离子电池，需要在初始充电时形成SEI钝化层，但在流动条件下，该膜无法持续形成，从而很难进行后续反应。因此，有关该领域的探索仍然围绕在基础理论突破方面。由此可以看出，目前亟需开发一种成本低廉、电化学性能好的液流电池。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的液流电池生产成本高、电池容量较低以及难以大规模使用的缺陷，提供一种电极浆液、一种浆液电极和一种液流电池以及一种电池堆，使用本专利技术提供的电极浆液的液流电池，在相同电流条件下，可以提供更高的更稳定的功率输出，且成本低廉。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种电极浆液，该电极浆液含有：电极颗粒以及含有活性物质的电解液；相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为10-1000重量份。优选地，所述活性物质选自金属卤化物中的至少一种。本专利技术第二方面提供一种浆液电极，该浆液电极包括：双极板、集流器以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐；双极板相对的两面中，一面与集流器相邻，另一面设置有一侧打开的浆液电极腔，浆液电极腔打开的一侧覆盖有离子交换膜；双极板和浆液电极腔之间贯穿设置有电极浆液入口流道和电极浆液出口流道，电极浆液入口流道与浆液电极储罐的出口连通，电极浆液出口流道与浆液电极储罐的入口连通，使得电极浆液在浆液电极腔和浆液电极储罐之间循环流动；所述电极浆液为本专利技术提供的电极浆液。本专利技术第三方面提供一种液流电池，该液流电池包括：浆液电极、对侧电极以及存在于浆液电极、对侧电极之间的隔膜，其中，所述浆液电极为本专利技术提供的浆液电极。本专利技术第四方面提供一种电池堆，所述电池堆包括上述的液流电池。本专利技术提供的电极浆液含有电极颗粒以及含有活性物质的电解液，活性物质可以在电极颗粒的内部发生嵌入和脱嵌反应，采用本专利技术提供的电极浆液的液流电池，在相同电流条件下，可以提供更高的功率输出。优选情况下，当所述活性物质选自金属卤化物中的至少一种时，可以有效降低液流电池的原料成本，另外，与传统的液流电池使用较昂贵的碳纤维相比较，该电极浆液可以使用颗粒状的电极材料，材料制备工艺简单。本专利技术提供的电极浆液，无论是材料成本还是工艺成本都较为低廉，降低了液流电池的生产成本。现有液流电池中包含活性物质的电解液通过管路输送至电极入口，并进入到电极内表面，在电极内表面与电解液接触的界面发生电化学反应，电极表面积的大小决定了电池电流的大小，同时电极表面的孔结构影响活性物质的传递。增大电极表面积有利于提高电池产生更大电流的能力，但是会降低电极的孔径，从而限制活性物质的传递，因此电池无法在更高电流条件下工作，其性能提升遇到了瓶颈。而本专利技术提供的浆液电极克服了上述瓶颈，浆液电极与现有固定式的多孔电极相比，电极浆液存储于外部浆液电极储罐中，活性物质在电极颗粒的内部发生嵌入和脱嵌反应，大大增加了电极与电解液的接触界面，促进了电极反应，提高了电流上限，可以在有限的空间产生更多的电流，同时通过浆液形态的电极具有更好的传质特性，具有更高的极限电流密度。本专利技术提供的液流电池包括上述浆液电极，对其对侧电极没有特别的限定，可以由多孔固体电极构成，储存于电池外部的电解液流经电极内外表面发生电化学反应，本专利技术提供的液流电池生产成本低，功率输出更稳定，且放电比容量更大。附图说明图1是实施例1中浆液电极的示意图；图2、图3是实施例1中浆液电极的双极板和浆液电极腔的示意图；图4是实施例1中的液流电池的示意图；图5是电池堆的示意图；图6是实施例1液流电池在充放电测试过程中的特性曲线图；图7是实施例1液流电池停止电极浆液的输送，在充放电测试过程中的特性曲线图。附图标记说明1-双极板2-集流器4-浆液电极储罐5-浆液电极腔6-离子交换膜7-电极浆液入口流道8-电极浆液出口流道9-流体通道10-折流板21-多孔电极22-对侧双极板23-对侧集流器24-电解液储罐3-隔膜11-端板2’-电池堆集流器具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术提供一种电极浆液，该电极浆液含有：电极颗粒以及含有活性物质的电解液；相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为10-1000重量份。根据本专利技术的一种优选实施方式，相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为50-800重量份，进一步优选为200-500重量份。根据本专利技术，所述活性物质可以为本领域常规使用的各种活性物质，优选地，所述活性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极浆液，其特征在于，该电极浆液含有：电极颗粒以及含有活性物质的电解液；相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为10‑1000重量份。

【技术特征摘要】
2018.02.09 CN 20181013682351.一种电极浆液，其特征在于，该电极浆液含有：电极颗粒以及含有活性物质的电解液；相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为10-1000重量份。2.根据权利要求1所述的电极浆液，其中，相对于100重量份的活性物质，电极颗粒为50-800重量份，优选为200-500重量份。3.根据权利要求1或2所述的电极浆液，其中，所述活性物质选自金属卤化物中的至少一种，优选地，所述活性物质选自金属氯化物和金属溴化物中的至少一种，进一步优选为氯化铝、溴化铝、氯化铁、氯化亚铁、溴化铁、氯化铬、氯化钛、氯化铜、氯化镍、氯化钴和氯化锌中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的电极浆液，其中，所述电解液中，所述活性物质的浓度为0.1-15mol/L，优选为1-10mol/L；优选地，所述电解液还含有溶剂，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮和乙酸中的至少一种，优选为水；优选地，所述电解液还含有支持电解质，所述支持电解质选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、六氟磷酸锂、硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，进一步优选地，所述支持电解质的浓度为0.1-10mol/L，优选为2-5mol/L；优选地，所述电解液还含有导电剂和/或表面活性剂。5.根据权利要求1或2所述的电极浆液，其中，所述电极颗粒选自石墨、碳粉、硅和二硫化钼中的至少一种，优选为石墨；优选地，电极颗粒的平均粒径为0.01-200μm，优选为1-100μm。6.一种浆液电极，其特征在于，该浆液电极包括：双极板(1)、集流器(2)以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐(4)；双极板(1)相对的两面中，一面与集流器(2)相邻，另一面设置有一侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆华，马浩初，卫昶，徐文强，李永龙，梁文斌，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11