[發明專利]一種液流儲能電池結構

有效

• 申請號: 201010524792.4
• 申請日: 2010-10-29
• 公開（公告）號: CN102456904A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 張華民;麥振聲;李先鋒;史丁秦
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M8/02;H01M2/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及液流儲能電池，具體地說是一種液流儲能電池結構，特別涉及含有用多孔隔層的液流儲能電池結構。

背景技術

液流儲能電池是通過活性物質發生氧化還原反應從而實現電能和化學能相互轉化的電池系統，具有容量和功率可調、可深度放電、充放電轉換速度快、使用壽命長、安全環保、易操作和維護等優點。液流儲能電池在風能、太陽能等新能源發電、智能電網建設、電動汽車充電站、邊遠地區供電等領域都有著廣闊的市場前景，特別是全釩液流儲能電池(VRB)由于安全性高、穩定性好、效率高、壽命長(壽命＞15年)、成本低等優點，被認為是液流儲能電池中最有前景和代表性的一種儲能電池。

離子交換膜作為液流儲能電池的關鍵部件起著阻隔正、負極電解液，防止正負極離子互混，避免自放電引起能量損失，同時起到傳遞質子形成電池內電路的作用，因此離子交換膜的性能直接影響著電池的效率和循環壽命。用于液流儲能電池的離子交換膜應該具備以下特點：離子選擇性高、離子傳導率高、良好的機械強度和化學穩定性。其中，離子交換膜的化學穩定性是影響電池壽命的關鍵因素之一，以全釩液流儲能電池為例，電池正極側電解液含有強氧化性的五價釩離子(VO₂⁺)，且在高電位下，電極表面有可能生成活性氧，這種氧化性物種對離子交換膜聚合物的攻擊將可能導致其降解失效，從而引起電池性能的下降。全氟磺酸膜是目前為止VRB采用最多的離子交換膜，它的最大優點在于化學穩定性好、離子傳導率高，但是該膜存在成本較高，膜的選擇性差等問題，在很大程度上制約了VRB的工業化和商業化；另一方面，低成本的非氟離子交換膜，如磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚砜(SPU)、磺化聚酰亞胺(SPI)等，受化學結構所限，往往難以在商業化應用中滿足VRB運行條件對膜的化學穩定性的需求。

以不飽和碳鏈作為主鏈的高分子聚合物，如聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯腈等，具有化學活性低，氧化穩定性強的特點，而且成本較低。但由于上述聚合物本身不具有離子交換基團，不能直接用作液流儲能電池的電池隔膜。

可見，目前適用于液流儲能電池用的離子交換膜材料本身很難達到兼具有低成本和高化學穩定性的要求，成為該領域較為突出的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多孔隔層結構，以高穩定性、低成本的飽和碳主鏈聚合物作為隔層材料將電極與離子交換膜隔離。降低電池成本，提高膜的穩定性，延長電池運行壽命。

本發明的技術方案如下：

一種液流儲能電池結構，電池包括正電極、離子交換膜、負電極，正電極和/或負電極與離子交換膜之間設置有多孔隔層，將兩者完全隔離。所述的多孔隔層是由聚合物主鏈為不飽和碳鏈的高分子材料作為原料制成的多孔隔膜。多孔隔層厚度為10～500μm，孔隙率為20～90％，平均孔徑為0.1～100μm。為了完全分隔正、負電極和離子交換膜，多孔隔層的長度和寬度不小于電極的長度和寬度。

其中所述多孔隔層為芳香族聚合物、脂肪族聚合物、纖維素脂類和聚碳酸酯類中的一種或多種原料制成的多孔隔膜。常見的芳香族聚合物包括聚砜、聚酮、聚酰亞胺、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑等材料。常見的脂肪族聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚異丁烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈等材料。

當液流儲能電池為全釩液流儲能電池時，電池正極側電解液含有強氧化性的五價釩離子(VO₂⁺)，且在高電位下，電極表面有可能生成活性氧，這種氧化性物種對離子交換膜聚合物的攻擊將可能導致其降解失效，從而引起電池性能的衰減。將多孔隔層設置于正電極與離子交換膜之間，將兩者完全隔離。延長了活性物質到達離子交換膜的距離和時間，可顯著提高模的使用壽命。

本發明的優點及特性效果在于：

(1)使用高穩定性、具有一定厚度的多孔隔層把電極與離子交換膜分隔，延長了電極上產生的活性物種到達離子交換膜的距離和時間，使其無法在其極短的存活時間內到達離子交換膜表面產生攻擊，從而顯著提高離子交換膜的使用壽命，進而提高了電池的使用壽命。

(2)有效避免了電極表面物質與膜直接接觸造成對膜的損傷，可進一步提高離子交換膜的使用壽命。

(3)多孔隔層具有足夠大的孔隙率和孔徑，使VRB電池腔體內流通的電解液能夠在多孔隔層內暢順流動，導通離子，避免隔層成為離子傳輸的瓶頸。

(4)隔層材料成本低廉易得，有利于產業化應用。

(5)拓寬了VRB用離子交換膜材料的種類和范圍。