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制造技术

本发明专利技术公开了液流电池堆或单电池、电极

【技术实现步骤摘要】
液流电池堆或单电池、电极
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隔膜复合组件及其复合电极结构


[0001]本专利技术涉及新能源储能
，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
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隔膜复合组件及其复合电极结构。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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铬液流电池储能示范项目投入运行，铁
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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。
[0005]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
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溴(NaSx/Br)电池、锌
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氯(Zn/Cl2)或锌
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溴(Zn/Br2)电池和铁
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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。
[0006]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。
[0007]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：
[0008]表1
[0009][0010]碳毡或石墨毡材料厚度一般为2～8mm之间，考虑到中间的隔膜厚度，正、负极电极之间的离子传输距离较远，于是电解质溶液中质子、各种离子的通过路径长，再加上质子交换膜的阻力，总的单电池或电池堆的内部电阻较大，导致内阻极化较大进而导致电压效率较低。而且，碳毡或石墨毡材料的密度只有0.08～1.2g/cm3，密度相对较低、比表面积较小。另外，石墨化后石墨毡的纤维呈现交织状结构，比较松软，因此电极本身以及与双极板的接触电阻大，电化学反应的极化较大、过电位相对较高。所以，上述各种因素均增加了电池的极化。
[0011]而另一种可能的电极材料为碳纸，其材料性能与热处理温度如下表2所示。
[0012]表2
[0013] 碳纸性能PAN体密度(g/cm3)0.24碳含量(％)>99.75抗拉强度(MPa)
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热处理温度(℃)>2000
[0014]碳纸电极应用在VRB中，相对于碳毡或石墨毡电极，能使得液流电池的性能得到显著提高，因此，目前碳纸电极已经被关注且应用。例如：专利CN106560944B描述了一种碳(纤维)纸材料制备技术，并描述了在全钒液流电池(VRB)中的应用情况；专利CN108346806B、CN107863536B描述了其采用碳毡、石墨毡、碳纸或碳布材料作为电极在铁
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铬液流电池中的应用情况；专利CN106532069A公布了一种电极材料为碳毡、石墨毡、碳纸或碳布材料的非对称电极结构，但是应用于液流电池的电极材料整体厚度要求在2mm以上。
[0015]对于铁
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铬液流电池，优化特定的电极材料性能以减少负极析氢，提高电极的密度与比表面积，降低电极厚度同时保持电极的流体阻力相对较小，减小质子、离子等载流体的传递阻力，均是改善电池性能的有效手段。但是，该种电极因为厚度减薄到1mm以下时机械强度减弱，尽管采用了多层电极叠加在一起以提高机械强度、增加反应比表面积，但是电极内部电解质溶液流体阻力过大，必须要求配置带有流道的流场双极板，才能够降低流体阻力、提供足够的电解质溶液，而如此配置又会带来其他一些问题。
[0016]因此，需要处理好电极材料结构与双极板流场结构之间的关系，而设计具有特殊结构的复合电极、电极
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隔膜组件，并辅以特殊流场的双极板，无疑会提高电池或电池堆的
设计效果、性能、制造效率。

技术实现思路

[0017]针对上述碳毡、石墨毡、碳纸在液流电池方面的应用中存在的问题，以及液流电池本身的结构与性能问题，本专利技术重点提出一种新型电极材料与结构，电极材料与隔膜之间的结构关系与封装方法，以及电极材料所需要的双极板的流场结构与几何关系，以解决当前的液流电池中电极材料与结构、电池或电池堆结构、装配制造，以及电池或电池堆的性能等等方面的问题。
[0018]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0019]【技术方案一】
[0020]一种复合电极结构，该电极由各向不均匀且材质不单一的电极材料复合而成，使其形成不对称结构。
[0021]作为优选，所述电极材料包括石墨毡和石墨纤维碳纸，所述石墨毡和石墨纤维碳纸层叠设置。
[0022]作为优选，所述电极材料包括石墨毡或石墨纤维碳纸，在石墨毡或石墨纤维碳纸的两侧中，在至少一侧的外表层设置石墨粉层，该石墨粉层通过涂覆沉积方式形成。
[0023]作为优选，所述电极材料包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.复合电极结构，其特征在于，该电极由各向不均匀且材质不单一的电极材料复合而成，使其形成不对称结构。2.根据权利要求1所述的复合电极结构，其特征在于，所述电极材料包括石墨毡和石墨纤维碳纸，所述石墨毡和石墨纤维碳纸层叠设置。3.根据权利要求1所述的复合电极结构，其特征在于，所述电极材料包括石墨毡或石墨纤维碳纸，在石墨毡或石墨纤维碳纸的两侧中，在至少一侧的外表层设置石墨粉层，该石墨粉层通过涂覆沉积方式形成。4.根据权利要求1所述的复合电极结构，其特征在于，所述电极材料包括石墨毡和石墨纤维碳纸，所述石墨毡和石墨纤维碳纸层叠设置，并在二者层叠得到的结构的两侧中，在至少一侧的外表层设置石墨粉层，该石墨粉层通过涂覆沉积方式形成。5.根据权利要求2～4任一项所述的复合电极结构，其特征在于，所述石墨毡为一层或多层结构，所述石墨纤维碳纸为一层或多层结构。6.根据权利要求3～4任一项所述的复合电极结构，其特征在于，所述石墨毡的厚度小于2mm，所述石墨纤维碳纸的厚度小于0.4mm，所述石墨粉层的厚度小于100μm，且该复合电极结构的总厚度不大于2mm。7.根据权利要求1～6任一项所述的复合电极结构，其特征在于，在有氧的环境下，对所述复合电极结构进行400～500℃的高温处理。8.电极
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隔膜复合组件，其特征在于，该组件沿一个方向依次包括塑料框(1)、权利要求1～7中任一项所述的复合电极(2)、离子交换膜(3)、权利要求1～7中任一项所述的复合电极(2)、以及塑料框(1)，且五者通过热压复合形成。9.根据权利要求8所述的电极
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隔膜复合组件，其特征在于，对于厚度大于0.3mm且小于2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志洁，
申请(专利权)人：上海朗雄能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：