一种可修复的电化学储能器件制造技术

本发明专利技术涉及一种水系电化学储能设备，其特征在于该电化学储能设备包括电化学储能器件，该器件具有进液口和出液口，并可分别与外置的流体循环装置相连接，可使流体进出该电化学储能器件，从而起到调节该电化学储能器件内部的物理、化学和电化学环境的作用。本发明专利技术也涉及一种通过储能器件内部与外部的电解液更新，实现对储能器件电化学性能的优化或修复，提升各项性能指标并大幅延长其使用寿命的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水系电化学储能设备，尤其涉及一种可改善或修复其性能的电化学储能设备。
技术介绍
随着人类社会对能源需求的持续上涨，化石能源的短缺和其对环境造成的破坏等因素，世界各大工业化国家在大力发展风能、太阳能等新能源的同时，追求现有能源体系的合理化和高效化已成为一种必然的趋势。为解决能源生产和需求在时间和地域上的不均衡，推广和普及新能源，提高能源的使用效率等一系列为实现能源利用可持续发展的大趋势中，储能技术有着极其重要的地位。在现有的储能技术中，电化学储能，即利用可充电电池的储能方式以其高储能效率(高能量转换效率)而见长，是一种理想的储能方案的选项。但是迄今为止电池技术的发展并没能预知这样一种从家居、商业、工业到电网等大规模(1kWh-100MWh)的储能需求，换言之，现有的电池技术无一可以完全满足这突袭而来的巨大市场需求对理想储能方案的要求：安全、环保、高效率、长寿命、低成本。近年出现的水系离子电池技术，包括水系锂离子电池(CN1328818C)和水系钠离子电池(CN102027625A)技术是一种有望解决当前储能技术瓶颈，兼顾上述市场要求的方案。水系离子电池利用和锂离子电池类似的金属离子嵌入/脱嵌反应，以水相电解液取代现有的锂离子电池的非水相(有机)电解液，在解决了锂离子电池易燃易爆的安全隐患的同时，大大降低了电解液成本和电池的生产成本。另外，水系离子电池采用金属氧化物和碳材料作为电极材料，接近中性的水溶液为电解液，所用材料均为无毒无害、低环境负荷的材料，适合于规模化的储能应用和广泛的普及。然而，储能技术规模化应用和普及的原动力还将是来自储能的成本，即度电成本(LCOE:LevelizedCostofElectricity)的下降，使用户通过储存电能可以获取经济收益。例如：在实施阶梯式电价的地区，将廉价时段电网中的电储存在储能产品(电池)里，在峰值电价的时段使用电池中所储存的电，并可从电价差中获取经济收益。这就要求储能产品有着足够低的度电成本(LCOE)值。最有效降低度电成本值的方法是延长储能产品，即电池的循环使用寿命。任何一种可充电电池(二次电池)都有着有限的循环寿命，随着充电和放电的循环反复，电池的容量会逐渐下降，不同种类的二次电池有其完全不同的容量衰减机理。本专利技术通过对水系离子电池容量衰减机理的锐意研究，发现引起水系离子电池容量衰减的原因主要有以下几个方面：1)由于轻微的析氢和析氧反应所造成的电解液pH值的偏离；2)由于电解液中水的缓慢分解所造成的电极表面电解液的缺失及少量气体的累积；3)作为电极活性材料的金属氧化物发生化学或电化学副反应所产生的副产物，如产生微量的过渡金属离子并溶入电解液中；4)集流体或汇流条中的金属的缓慢腐蚀所产生的过渡金属离子，并溶入电解液中。以上尽管引起水系离子电池容量衰减的副反应原因和机理各异，但其共同点是，其副反应的产物会对电解液造成污染，而被污染后的电解液有可能进一步加剧电池容量的衰减。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可更换电解液以实现可修复的电化学储能设备及改善或修复该电化学储能设备性能的方法。根据本专利技术实施方式的一个方面，提供了一种电化学储能设备，该设备包括电化学储能器件，该电化学储能器件包括正极、负极、隔膜、水相电解液以及容纳正极、负极、隔膜和水相电解液的壳体，其中，述正极的活性材料至少包含一种能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料，所述壳体具有进液口和出液口，供流体循环进出所述壳体。在进一步的实施方式中，壳体的进液口和出液口可与外置的流体循环装置相连接，使流体流出和流入所述电化学储能器件，所述流体循环装置包括循环泵、储液罐和作为流体通道的连接管路，所述储液罐可包括上游储液罐和下游储液罐。在壳体的进液口和出液口处还设有用于控制其开启和关闭的控制阀在必要的时机，可通过控制阀控制开启壳体的进液口和出液口，利用外置的流体循环装置中循环泵的驱动，使新的电解液从上游储液罐(即新液罐)中流入储能器件，储能器件内的电解液(包括微量的气体)流出储能器件，流入下游储液罐(即废液罐)。在进一步的实施方式中，电化学储能设备还设有传感器，利用其信号对控制阀进行智能化的控制，自动启动壳体的进液口和出液口的开启和关闭，以及外置流体循环装置的工作。以上通过储能器件内部和外部电解液(包括微量气体)的流动，包括电解液的补充和更新，可实现对该电化学储能器件内部物理环境、化学环境或电化学环境的监控、调制或优化。本专利技术的电化学储能设备的电化学储能器件所采用的负极的活性材料选自含过渡金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、金属、合金、以及具有不同石墨化程度和不同比表面积的碳材料中的一种或多种。其中的碳材料可包括石墨、碳黑、活性碳、碳纤维、碳纳米管和石墨烯的一种或多种。负极的活性材料可包含能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料(例如含过渡金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐材料)，能够进行可逆氧化还原反应的金属或合金材料，和能够进行法拉第赝电容或非法拉第电容储能行为的材料(例如氧化物和碳材料)。本专利技术的电化学储能设备的电化学储能器件所采用的正极的活性材料选自含过渡金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、以及具有不同石墨化程度和不同比表面积的碳材料中的一种或多种。其中的碳材料可包括石墨、硬碳、软碳、碳黑、活性碳、碳纤维、碳纳米管和石墨烯的一种或多种。该正极的活性材料至少包含一种能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料，所述离子包括但不局限于锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、铝离子或金属离子和配体所形成的配离子中的一种或多种。本专利技术的电化学储能设备的电化学储能器件采用水相电解液可包含有水溶性的锂盐、钠盐、钾盐、镁盐、锌盐、铝盐或配体盐中的一种或多种作为电解质。电解液的pH值的范围通常应控制在4-10，优选为5-9，更为优选为6-8。该水相电解液可含有缓冲溶液用于稳定pH值。该电解液通常具有中性电解液的特征，如果电解液偏离中性，偏酸性或偏碱性都有可能加剧析氢或析氧反应，也可能会与正极或负极活性材料产生不可逆的化学副反应，从而造成储能器件容量的衰减。根据本专利技术实施方式的另一方面，提供了一种用于改善或修复上述的电化学储能设备性能的方法，该方法包括使用控制阀来控制电化学储能器件壳体的进液口和出液口的开启和关闭，并利用外置的流体循环装置使流体流出和流入所述壳体，所述流体循环装置包括循环泵、储液罐和作为流体通道的连接管路，所述储液罐可包括上游储液罐和下游储液罐。在进一步的实施方式中，通过流体流出和流入壳体，实现对电化学储能器件内部物理环境、化学环境或电化学环境的监控、调制或优化。其中，流出壳体的流体可包括混合或溶解于水相电解液的电化学或化学副反应所产生的副产物，该副产物包括气体、溶解物、固体颗粒以及偏离正常pH值的电解液，流出电化学储能器件的流体将流入下游储液罐。流入电化学储能器件的流体包括新配制的水相电解液、添加剂、以及用于改善或修复电化学储能设备的特定物理化学性能的添加剂，流入电化学储能器件的流体来自于上游储液罐。在进一步的实施方式中，改善或修复上述的电化学储能设备性能的方法还包括利用智能化控制系统管控壳体的进液口和出液口的开启本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学储能设备，包括电化学储能器件，该器件包括正极、负极、隔膜、水相电解液以及容纳所述正极、负极、隔膜和水相电解液的壳体，其特征在于，所述正极的活性材料至少包含一种能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料；所述壳体具有进液口和出液口，供流体循环进出所述壳体。

【技术特征摘要】
1.一种电化学储能设备，包括电化学储能器件，该器件包括正极、负极、隔膜、水相电解液以及容纳所述正极、负极、隔膜和水相电解液的壳体，其特征在于，所述正极的活性材料至少包含一种能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料；所述壳体具有进液口和出液口，供流体循环进出所述壳体。2.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述壳体的进液口和出液口与外置的流体循环装置相连接，使流体流出和流入所述电化学储能器件，所述流体循环装置包括循环泵、储液罐和作为流体通道的连接管路，所述储液罐包括上游储液罐和下游储液罐。3.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，在所述壳体的进液口和出液口设有用于控制其开启和关闭的控制阀。4.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，还设有传感器，利用其信号对所述控制阀进行智能化的控制，自动启动所述壳体的进液口和出液口的开启和关闭，以及所述外置流体循环装置的工作。5.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述负极的活性材料选自含过渡金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、金属、合金、以及具有不同石墨化程度和不同比表面积的碳材料中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述负极的活性材料包含能够在水相电解液中进行离子嵌入和脱嵌反应的材料、能够进行可逆氧化还原反应的金属或合金材料、能够进行法拉第赝电容或非法拉第电容储能行为的材料。7.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述正极的活性材料选自含过渡金属的氧化物、磷酸盐、硫酸盐、以及具有不同石墨化
\t程度和不同比表面积的碳材料中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述进行离子嵌入和脱嵌反应的离子包括锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、铝离子或金属离子和配体所形成的配离子中的一种或多种。9.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述水相电解液包含有水溶性的锂盐、钠盐、钾盐、镁盐、锌盐或铝盐中的一种或多种电解质。10.根据权利要求1所述的电化学储能设备，其特征在于，所述水相电解液的pH值选自下列范围：4-10，5-9，或者6-8。11.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：车勇，王青，朱用，陆卫平，戴翔，
申请(专利权)人：恩力能源科技南通有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32