一种半固态锂液流电池反应器、电池系统及工作方法技术方案

本发明专利技术提供一种半固态锂液流电池反应器，包括电池框架、电极腔，所述电池框架为内部中空的长方体，所述电极腔包括正极腔和负极腔，电极腔内充满连续或者间歇流动的电极悬浮液，所述正极腔和负极腔之间设有直通的隔离腔，所述隔离腔高度为0.1～1mm，内部充满间歇流动的电解液；本发明专利技术同时提供一种基于该电池反应器的电解液循环系统和工作方法，可通过电解液循环系统调节隔离腔内电解液对多孔集流体的压力大小，来应对电池微短路或极化增大的情况，能够有效降低电池极化、提高电池安全性。

Semi solid lithium liquid flow battery reactor, battery system and working method

The invention provides a semi solid liquid lithium flow cell reactor, including frame, battery electrode cavity and the battery frame for the rectangular hollow body, the electrode cavity comprises an anode chamber and a cathode chamber, the electrode cavity filled with continuous or intermittent flow of the electrode suspension, isolating cavity between the positive electrode and the cavity the cathode chamber is provided with a straight, the isolation chamber height is 0.1 ~ 1mm, full of internal electrolyte intermittent flow; the invention also provides an electrolyte circulating system and working method of the battery based on reactor pressure can be set through the porous fluid electrolyte circulating system regulating the isolation cavity of the electrolyte, the battery to deal with micro short circuit or polarization increase, can effectively reduce the cell polarization and improve the safety of the battery.

【技术实现步骤摘要】
一种半固态锂液流电池反应器、电池系统及工作方法
本专利技术属于化学储能电池技术，具体涉及一种半固态锂液流电池反应器、电池反应器控制系统及工作方法。
技术介绍
半固态锂液流电池是最新发展起来的一种电化学储能电池技术，它综合了锂离子电池和液流电池的优点，是一种输出功率和储能容量彼此独立，且能量密度大、成本较低、高安全的新型二次电池。它不仅可以作为太阳能、风能发电系统的配套储能设备，还可以作为电网的调峰装置，提高输电质量，保障电网安全。半固态锂液流电池反应器为电能和化学能的相互转换提供场所，是半固态锂液流电池储能系统的核心装置，对电池系统成本、电池功率、能量效率和循环寿命等性能有重要的影响。隔离层为半固态锂液流电池反应器隔离多孔正极集流体和多孔负极集流体并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，对解决电池极化和短路问题具有重要作用。现有结构的半固态锂液流电池反应器存在以下问题：1)为了防止短路，电池反应器使用较厚且孔隙率较小的隔离层，这样在充放电过程中，正、负电极悬浮液中的活性材料嵌入隔离层微孔中，堵塞隔离层，使电池内阻增大，极化严重；2)为了降低电池反应器内阻和极化，若使用孔隙率较大且较薄的隔离层，可以提高电池离子的通透率，但是正、负电极悬浮液中纳米级导电颗粒容易渗入到隔离层并形成桥接，导致电池内部短路。
技术实现思路
针对以上存在的问题，本专利技术提供一种半固态锂液流电池反应器，该反应器的隔离腔内充满间歇流动的电解液，电解液能够起到有效完成离子传输而隔离电子的作用，本专利技术同时提供一种基于该电池反应器的电池系统，隔离腔内的电解液通过电解液循环系统的过滤装置和加热装置，同时提供了一种控制隔膜内电解液和电池腔体内电极悬浮液流动的方法，能够有效降低电池极化、提高电池安全性。本专利技术提供技术方案如下：一种半固态锂液流电池反应器，包括电池框架、电极腔，所述电池框架为内部中空的长方体，长方体含三组相对面A-A1面、B-B1面和C-C1面；其特征在于，所述电极腔包括正极腔和负极腔，其中正极腔是由两层多孔正极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体，负极腔是由两层多孔负极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体；在长方体相对的两面A-A1面设有若干对容纳所述正极腔的正极直通空槽，正极腔内充满连续或者间歇流动的正极悬浮液，在长方体相对的两面B-B1面设有若干对容纳所述负极腔的负极直通空槽，负极腔充满连续或者间歇流动的负极悬浮液，所述正极腔和负极腔交替排列放置；所述正极腔和负极腔之间设有直通的隔离腔，所述隔离腔高度为0.1～1mm，内部充满间歇流动的电解液,所述隔离腔内电解液从A-A1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从B-B1面的隔离腔出口槽流出；或者，所述隔离腔内电解液从B-B1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从A-A1面的隔离腔出口槽流出。所述正极腔的多孔正极集流体外侧和负极腔的多孔负极集流体外侧分别设有电子绝缘的隔膜，并且所述隔膜的厚度小于等于隔离腔高度的三分之二；所述电极腔隔膜与多孔集流体紧密接触，多孔集流体与隔膜之间可以采用真空蒸镀、电镀、化学镀、流延、旋涂、喷涂、热压、丝网印刷、喷墨打印、粘接、机械压合等方法进行复合，使多孔集流体和隔膜能够紧密贴合。或者，所述正极腔的多孔正极集流体外侧和/或负极腔的多孔负极集流体外侧不设隔膜，尤其是当隔离腔的高度≥0.5mm时，多孔正极集流体和多孔负极集流体被隔离腔内的电解液隔离，不会接触短路。所述正极腔的腔体高度为0.5mm～10mm，优选为1～3mm，所述负极腔的腔体高度为0.5mm～10mm，优选为1～3mm。所述隔离腔位于正极腔和负极腔之间，并且，隔离腔内充满间歇流动的电解液，电解液具有较好的离子导电特性和电子绝缘特性，并起到以下作用：(1)当正极腔内正极悬浮液的导电颗粒和负极腔内负极悬浮液的导电颗粒渗入到隔离腔内的电解液并形成桥接短路，隔离腔内电解液的流动可以将导电颗粒循环带出隔离腔，破坏内部短路桥接，避免电池发生内部桥接短路；(2)电池长时间工作后，嵌入到隔膜微孔内的电极材料颗粒会堵塞隔膜孔隙，使电池内阻增大，通过隔离腔内电解液的流动冲刷隔膜，可以将微孔中的电极材料颗粒反向冲洗，重新进入到电极腔的电极悬浮液中，同时释放隔膜孔隙；(3)通过调整隔离腔内电解液对多孔集流体的压力大小来调整隔离腔和电极腔的间隙，已达到改变电池内阻和电池极化的情况；(4)这种结构能够通过控制隔离腔内电解液的流动状态对正、负极悬浮液进行补液，调整正、负极悬浮液的浓度，避免正、负极悬浮液因长期循环电解液的挥发或损耗后粘度变大，流动性能下降。所述多孔正极集流体是厚度为0.01～1000μm的具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为30％～90％，孔径范围10nm～2mm；或者，所述多孔正极集流体为导电填料与粘结剂的多孔混合物，其中，导电填料为炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、钛粉、铝粉、银粉、合金铝粉、不锈钢粉或银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，粘结剂为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述多孔正极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属网、金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝；或者，所述多孔正极集流体为导电碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物，所述金属丝及所镀金属镀薄膜的材料为铝、合金铝、不锈钢或银，优选为铝；或者，所述多孔正极集流体为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料；或者，所述多孔正极集流体为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。所述多孔负极集流体是厚度为0.01～1000μm的具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为30％～90％，孔径范围10nm～2mm。所述多孔负极集流体为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，粘结剂为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述多孔负极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半固态锂液流电池反应器，包括电池框架、电极腔，所述电池框架为内部中空的长方体，长方体含三组相对面A‑A1面、B‑B1面和C‑C1面；其特征在于，所述电极腔包括正极腔和负极腔，其中正极腔是由两层多孔正极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体，负极腔是由两层多孔负极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体；在长方体相对的两面A‑A1面设有若干对容纳所述正极腔的正极直通空槽，正极腔内充满连续或者间歇流动的正极悬浮液，在长方体相对的两面B‑B1面设有若干对容纳所述负极腔的负极直通空槽，负极腔内充满连续或者间歇流动的负极悬浮液；所述正极腔和负极腔交替排列放置，而且正极腔和负极腔之间设有隔离腔，所述隔离腔高度为0.1～1mm，内部充满间歇流动的电解液；所述隔离腔内部设有不少于一层的电子绝缘的隔膜，并且所述隔膜的总厚度小于等于隔离腔高度的三分之二，或者，所述隔离腔内不设置隔膜；所述隔离腔内电解液从A‑A1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从B‑B1面的隔离腔出口槽流出，或者，所述隔离腔内电解液从B‑B1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从A‑A1面的隔离腔出口槽流出。...

【技术特征摘要】
1.一种半固态锂液流电池反应器，包括电池框架、电极腔，所述电池框架为内部中空的长方体，长方体含三组相对面A-A1面、B-B1面和C-C1面；其特征在于，所述电极腔包括正极腔和负极腔，其中正极腔是由两层多孔正极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体，负极腔是由两层多孔负极集流体相对两侧边缘之间设有绝缘体形成的通透腔体；在长方体相对的两面A-A1面设有若干对容纳所述正极腔的正极直通空槽，正极腔内充满连续或者间歇流动的正极悬浮液，在长方体相对的两面B-B1面设有若干对容纳所述负极腔的负极直通空槽，负极腔内充满连续或者间歇流动的负极悬浮液；所述正极腔和负极腔交替排列放置，而且正极腔和负极腔之间设有隔离腔，所述隔离腔高度为0.1～1mm，内部充满间歇流动的电解液；所述隔离腔内部设有不少于一层的电子绝缘的隔膜，并且所述隔膜的总厚度小于等于隔离腔高度的三分之二，或者，所述隔离腔内不设置隔膜；所述隔离腔内电解液从A-A1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从B-B1面的隔离腔出口槽流出，或者，所述隔离腔内电解液从B-B1面的隔离腔进口槽进入电池反应器的隔离腔内，从A-A1面的隔离腔出口槽流出。2.如权利要求1所述的半固态锂液流电池反应器，其特征在于：所述电解液为采用六氟磷酸锂或双乙二酸硼酸锂溶解于有机溶剂或离子液体的溶液，所述有机溶剂包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯的一种或几种，所述离子液体包括N-甲基-N-丙基吡咯-二(三氟甲基磺酰)亚胺、1-甲基-4-丁基吡啶-二(三氟甲基磺酰)亚胺、1,2-二甲基-3-N-丁基咪唑、1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸、1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸的一种或几种混合物；所述电解液中含有添加剂，所述添加剂为无机添加剂或有机添加剂，无机添加剂包括HF、CO2、SO2、Al2O3、SiO2、MgO、GaO、ZnO、SnI3、AlI3、Mg(ClO4)2中的一种或几种，有机添加剂包括四氢呋喃及其衍生物、萘烷、苯、联吡啶类化合物、PEO、PEO的二甲醚、二甲基硅烷与环氧丙烷的共聚物、C8F17SO3Li(LiFOS)、C8F17SO3-(C2H5)4N(TEAFOS)、(C2H5)4NF(HF)4、氟代碳酸乙烯酯、聚乙二醇二甲醚(PEGDME)、全氟聚醚(PFPE)、芳香烃杂环衍生物、冠醚、碳酸亚乙烯酯(VC)中的一种或几种。3.如权利要求1所述的半固态锂液流电池反应器，其特征在于：所述多孔正极集流体是厚度为0.01～1000μm的具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为30％～90％，孔径范围10nm～2mm；或者，所述多孔正极集流体为导电填料与粘结剂的多孔混合物，其中，导电填料为炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、钛粉、铝粉、银粉、合金铝粉、不锈钢粉或银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，粘结剂为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述多孔正极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属网、金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为多边形，包括方形、菱形或长方形；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛；或者，所述多孔正极集流体为导电碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯或聚四氟乙烯，所述金属丝及所镀金属镀薄膜的材料为铝、合金铝、不锈钢或银；或者，所述多孔正极集流体为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料；或者，所述多孔正极集流体为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体；所述多孔负极集流体是厚度为0.01～1000μm的具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为30％～90％，孔径范围10nm～2mm；所述多孔负极集流体为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，粘结剂为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述多孔负极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为多边形，包括方形、菱形或长方形；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜或镀镍铜；或者，所述多孔负极集流体为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永翀，张晓虎，张艳萍，张萍，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11