一种锌镍单液流电池

技术领域

本发明属于液流电池储能技术领域，具体涉及一种锌镍单液流电池。

背景技术

锌镍单液流电池是一种新型的低成本、高效率、环境友好型的液流电池储能技术，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。

传统的锌镍单液流电池的电池单元中，大多正极为烧结式氧化镍电极，负极为镍箔上的沉积锌电极，正、负极之间未分隔。由于电池单元正负电极没有隔开，电池单元无法实现多节串联，在同一种、无物理阻隔且导通的流动电解液中，各节电池单元之间只能以并联的方式连接，导致电池容量过低。因此本领域技术人员对其进行了改进：在正负电极之间增加分隔体，将正极电解液密封在正极半电池中，负极电解液通过管路在负极半电池和负极电解液存储装置之间循环流动，使得多节电池单元能够实现串联连接，大大提高了电池容量。

但是现有的锌镍单液流电池中，由于电池单元中正极电解液被密封在正极半电池，仅仅是负极电解液进行循环流动。此种电解液流动方式会存在两个问题：一、因正极在充电反应过程中，需要从电解液中吸收氢氧根离子，随着充电反应的进行，正极半电池中的氢氧根离子浓度降低，正极浓差极化变大。二、因其特殊的单液流结构，正极电解液不流动，与正极电解液流动相比，使用正极电解液不流动的方式运行电池不能保证正极电解液时刻充满正极半电池腔体，从而导致正极整体电阻偏大。上述问题最终会导致电池极化大，电池性能受到制约。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种锌镍单液流电池，通过在正极半电池和负极半电池之间增加分隔体，构筑正、负极电解液分开的体系，使得电池单元可以进行多节串联，且电池单元中正极电解液和负极电解液保持分离，互不干扰；同时使正极电解液和负极电解液同样进行循环流动，减小电池极化，提高电池的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锌镍单液流电池，包括电堆和电解液存储装置；

电堆内设置有电池单元；

电池单元包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池之间设置有分隔体；

正极半电池设置有正极电解液进口和正极电解液出口，负极半电池设置有负极电解液进口和负极电解液出口；

电解液存储装置的电解液出口通过进液管路分别与正极电解液进口和负极电解液进口连接，电解液存储装置的电解液进口通过出液管路分别与正极电解液出口和负极电解液出口连接。

优选地，进液管路包括总进液管路、第一进液管路和第二进液管路；

总进液管路一端与所述电解液存储装置的电解液出口连接，总进液管路另一端分别与第一进液管路和第二进液管路一端连接；

第一进液管路另一端与正极电解液进口连接，第二进液管路另一端与所述负极电解液进口连接。

优选地，出液管路包括总出液管路、第一出液管路和第二出液管路；

总出液管路一端与所述电解液存储装置的电解液进口连接，总出液管路另一端分别与第一出液管路和第二出液管路一端连接；

第一出液管路另一端与所述正极电解液出口连接，第二出液管路另一端与所述负极电解液出口连接。

优选地，进液管路上设置有液流动力装置。

优选地，总进液管路上设置有液流动力装置。

优选地，正极半电池包括正极电极框和置于正极电极框内的正极，负极半电池包括负极电极框和置于负极电极框内的负极；

正极电极框上设置有正极电解液进口、正极电解液出口和正极电解液流道，负极电极框上设置有负极电解液进口、负极电解液出口和负极电解液流道。

优选地，正极以碳毡作为基体，基体上涂敷有正极活性物质，正极活性物质为氢氧化镍；

负极为碳毡。

优选地，正极活性物质在所述基体上的涂敷量为0.5g/cm

优选地，负极电极框厚度小于所述负极厚度，所述正极电极框厚度小于所述正极厚度。

优选地，电解液为含可溶性锌盐的碱性水溶液，所采用的碱为Ba(OH)

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过在正极半电池和负极半电池之间设置分隔体，构筑正、负极电解液分离的电池体系，使得电池单元能够进行多节串联，提高了电池的输出电压、电池能量密度以及功率密度。且电池单元内正极电解液和负极电解液不互混，避免了漏电以及短路情况发生，保证了电池的循环稳定性。

2、本发明通过将正极半电池和负极半电池分别与电解液存储装置连通，使得电解液在正极半电池和负极半电池内部都有电解液流动，且分别独立循环，降低了电池极化，提高了电池能量密度；且只需要一个液流动力装置负载和一个电解液存储装置储存电解液，简化了电池结构。

3、本发明以碳毡作为负极，使得在负极半电池内部仅有少量电解液残留的情况下，负极仍有锌单质，避免了电池每次开启时析氢副反应的发生，提高了电池寿命的同时，也提高了电池的安全性。

4、本发明锌镍单液流电池的正极反应为固固相转化，正极活性物质固定在正极腔体内，不随电解液流动，正极活性物质始终不与负极活性物质接触，避免了由于二者之间发生氧化还原反应，导致的电池容量的衰减。

附图说明

图1为本发明一种锌镍单液流电池的结构示意图；

图2为传统的锌镍单液流电池在40mA/cm

图3为实施例1组装的锌镍单液流电池在40mA/cm

图中，1、电堆支撑体，2、集流体，3、正极半电池，4、负极半电池，5、分隔体，6、液流动力装置，7、电解液存储装置，8、分液结构，9、液流汇集结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

本发明一种锌镍单液流电池，其结构如图1所示，包括电堆和电解液存储装置7。

其中电堆内设置有电池单元；电池单元相对的两侧分别设置有电堆支撑体1，电堆支撑体1与电池单元之间设置有集流体2。集流体2通过与电池单元电极直接接触，在电池充电时将电流导入电池单元，放电时将电流从电池单元导出。集流体2可以选用铜板、石墨等。

电池单元包括正极半电池3和负极半电池4，正极半电池2和负极半电池3之间设置有分隔体5；分隔体5将正极半电池3和负极半电池4隔离为两个独立的腔室，并且允许离子穿过，使得两个腔室内的电解液不互混，从而使得正极电解液和负极电解液都可以流动，且独立循环，构筑了正负极电解液分离的电池体系，使得电堆内能够实现多节单电池单元的串联，提高了单电堆的输出电压、电池能量密度以及功率密度。同时避免了电池内部正负极电解液互混，所带来的电池漏电、短路等不安全因素。具体地，分隔体5可以选用离子传导膜。

正极半电池2设置有正极电解液进口和正极电解液出口，负极半电池3设置有负极电解液进口和负极电解液出口；

正极半电池包括正极电极框和置于正极电极框内的正极，负极半电池包括负极电极框和置于负极电极框内的负极；

正极电极框上设置有正极电解液进口、正极电解液出口和正极电解液流道，负极电极框上设置有负极电解液进口、负极电解液出口和负极电解液流道。

正极以碳毡作为基体，基体上涂敷有正极活性物质，正极活性物质为氢氧化镍，正极活性物质在基体上的涂敷量为0.5g/cm

负极为碳毡。具体地，负极选用沉积型碳毡。在电池停止运行时，碳毡负极可以留存少量电解液在负极内，从而减少了沉积在负极的锌单质的溶解量，使得电池再次开启时，负极仍然留存有锌单质，避免电池开启时发生析氢副反应，提高了电池的寿命和电池的安全性。

负极电极框厚度小于负极厚度，正极电极框厚度小于正极厚度。具体地，负极电极框、负极、正极电极框、正极之间的厚度关系为：负极电极框小于负极小于正极电极框小于正极，本发明实施例中负极电极框厚度选用2.5～4mm，负极厚度选用4～5mm；正极电极框厚度选用6～9mm，正极厚度选用8～10mm。

其中电解液存储装置7的电解液出口通过进液管路分别与正极电解液进口和负极电解液进口连接，电解液存储装置7的电解液进口通过出液管路分别与正极电解液出口和负极电解液出口连接。

其中进液管路包括总进液管路、第一进液管路和第二进液管路；

总进液管路一端与电解液存储装置7的电解液出口连接，总进液管路另一端分别与第一进液管路和第二进液管路一端连接；

第一进液管路另一端与正极电解液进口连接，第二进液管路另一端与负极电解液进口连接。

具体地，可以在总进液管路上安装分液结构8，通过分液结构8将总进液管路分隔为第一进液管路和第二进液管路。本发明实施例中，分液结构8可以采用三通管，三通管的三个端口分别与总进液管路、第一进液管路和第二进液管路连接。

其中进液管路上设置有液流动力装置6，用于为电解液进入正极半电池2和负极半电池3提供动力。本发明实施例中，液流动力装置6安装在总进液管路上，这样就实现了只采用一个液流动力装置就可以实现同时对正极半电池和负极半电池的供液。液流动力装置6可以选用泵。

其中出液管路包括总出液管路、第一出液管路和第二出液管路；

总出液管路一端与电解液存储装置7的电解液进口连接，总出液管路另一端分别与第一出液管路和第二出液管路一端连接；

第一出液管路另一端与正极电解液出口连接，述第二出液管路另一端与负极电解液出口连接。

具体地，可以在总出液管路上安装液流汇集结构9，通过液流汇集结构9将第一出液管路和第二出液管路中的电解液汇集到总出液管路中，然后流入电解液存储装置7中。本发明实施例中，液流汇集结构9可以采用三通管，三通管的三个端口分别与总出液管路、第一出液管路和第二出液管路连接。

本发明实施例中，通过在总进液管路上进行电解液分流，使电解液分别进入正极半电池3和负极半电池4，同时在电解液流出正极半电池3和负极半电池4后将其汇集到总出液管路中，回到电解液存储装置7中，使得采用一个电解液存储装置7、一个液流动力装置6就可以实现分别实现正极半电池3和负极半电池4内电解液的循环，简化了电池结构。更重要的是正极电解液始终保持流动，电解液中的氢氧根离子浓度变化较小(正极电解液中氢氧根离子的物质的量足够大，电解液体积足够大)，使得正极浓差极化降低。与此同时，正极中流动的电解液可以始终保持正极腔体被电解液填满，降低了正极的内阻，从而降低了电池极化，提高了电池能量密度。

本发明实施例中，电池单元由一个电池单元或者两个以上电池单元串联而成，电池单元之间通过双极板串联。

其中，电解液为含可溶性锌盐的碱性水溶液，所采用的碱为Ba(OH)

对比现有技术中锌镍单液流电池与本发明结构的锌镍单液流电池的电池性能。

组装本发明结构的锌镍单液流电池：

电池包括10节电池单元串联而成的电堆、电解液储罐、泵；电池单元包括正极半电池和负极半电池，正极半电池包括正极电极框和置于正极电极框内的正极，负极半电池包括负极电极框和置于负极电极框内的负极；正极半电池和负极半电池之间设置分隔体；电解液储罐中的电解液经泵流经三通管路分别流入正极半电池和负极半电池，其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有氢氧化镍，氢氧化镍的涂敷量为0.8g/cm

组装现有技术中的锌镍单液流电池

电池包括10节电池单元串联而成的电堆、电解液储罐、泵；电池单元包括正极半电池和负极半电池，正极半电池包括正极电极框和置于正极电极框内的正极，负极半电池包括负极电极框和置于负极电极框内的负极；正极半电池和负极半电池之间设置分隔体；负极电解液储罐中的负极电解液经泵流入负极，并循环回到负极电解液储罐，正极电解液被密封在正极半电池中，其中正极是以碳毡作为基体、基体上涂敷有氢氧化镍，氢氧化镍的涂敷量为0.8g/cm

在电流密度为40mA/cm

从表中可以看出，相比于现有技术中锌镍单液流电池，本发明提供的锌镍单液流电池的电池能量效率明显提高，虽然库伦效率略低于现有技术中锌镍单液流电池，这是由于电解液汇集流过三通管时会产生电流回路，但该电流非常微小，电池自放电可以忽略不计，并不影响电池性能的提高。

在电流密度为40mA/cm

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。