[發(fā)明專利]一種鋰液流電池反應(yīng)器及電極懸浮液嵌鋰合成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310038477.4
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103117406A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳永翀;張艷萍;馮彩梅;韓立;張萍;王秋平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京好風(fēng)光儲能技術(shù)有限公司;中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M10/058
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)儲能電池技術(shù)，具體涉及一種鋰液流電池反應(yīng)器及利用該電池反應(yīng)器對電極懸浮液電化學(xué)嵌鋰合成的方法。

背景技術(shù)

鋰離子液流電池綜合了鋰離子電池和液流電池的優(yōu)點，是一種輸出功率和儲能容量彼此獨立、能量密度大、電解液環(huán)保無毒的新型化學(xué)儲能技術(shù)。鋰離子液流電池由正極懸浮液池、負(fù)極懸浮液池、電池反應(yīng)器、液泵(或者其他動力系統(tǒng))及密封管道組成。其中，正極懸浮液池盛放正極復(fù)合材料顆粒(如磷酸鐵鋰復(fù)合材料顆粒)和電解液的混合物，負(fù)極懸浮液池盛放負(fù)極復(fù)合材料顆粒(如鈦酸鋰復(fù)合材料顆粒)和電解液的混合物。鋰離子液流電池工作時，電極懸浮液在液泵(或其他動力)的推動下通過密封管道在電極懸浮液池和電池反應(yīng)器之間流動，流速可根據(jù)電極懸浮液濃度和環(huán)境溫度(或者動力大小)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，正極懸浮液由正極進(jìn)液口進(jìn)入電池反應(yīng)器的正極反應(yīng)腔，完成反應(yīng)后由正極出液口通過密封管道返回正極儲液罐。與此同時，負(fù)極懸浮液由負(fù)極進(jìn)液口進(jìn)入電池反應(yīng)器的負(fù)極反應(yīng)腔，完成反應(yīng)后由負(fù)極出液口通過密封管道返回負(fù)極儲液罐。在正極反應(yīng)腔與負(fù)極反應(yīng)腔之間有電子不導(dǎo)電的多孔隔膜，將正極懸浮液中的正極活性材料顆粒和負(fù)極懸浮液中的負(fù)極活性材料顆粒相互隔開，避免正負(fù)極活性材料顆粒直接接觸而導(dǎo)致電池內(nèi)部的短路。正極反應(yīng)腔內(nèi)的正極懸浮液和負(fù)極反應(yīng)腔內(nèi)的負(fù)極懸浮液可以通過多孔隔膜中的電解液進(jìn)行鋰離子交換傳輸。

由于電池在首次充放電過程中形成的SEI膜會消耗部分不可逆容量，以及電池放電末端時陽極中的鋰離子滯留在內(nèi)部而不能形成有效的容量，此時，正極懸浮液和/或負(fù)極懸浮液會因為嵌鋰不足或者循環(huán)一段時間后呈缺鋰狀態(tài)導(dǎo)致電池容量下降，循環(huán)壽命降低，阻礙了鋰離子液流電池的后續(xù)使用。因此，需要采取合適的方式對電極懸浮液中的電極活性材料進(jìn)行補鋰，或者，直接制備具有較高電容量的穩(wěn)定相富鋰電極材料或亞穩(wěn)相含鋰合金電極材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題，本發(fā)明提供了一種鋰液流電池反應(yīng)器，同時，該電池反應(yīng)器可以作為電極懸浮液嵌鋰裝置為鋰離子液流電池的電極懸浮液嵌鋰以達(dá)到補鋰的效果，或者，直接制備具有較高電容量的穩(wěn)定相富鋰電極材料或亞穩(wěn)相含鋰合金電極材料，從而提高電池的循環(huán)壽命。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種鋰液流電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐、正極集流芯、負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管和多孔隔膜；其中：所述負(fù)極集流芯為實心棒狀或空心管狀，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有負(fù)極集流導(dǎo)線；所述鋰負(fù)極為箔狀或帶狀，卷繞在負(fù)極集流芯的外表面；所述鏤空套管包括鏤空的內(nèi)套管和外套管，所述鋰負(fù)極和負(fù)極集流芯置于鏤空套管的內(nèi)套管內(nèi)；所述多孔隔膜固定于鏤空套管的內(nèi)套管和外套管之間；所述正極集流芯纏繞在鏤空套管的外套管表面，在正極集流芯兩端設(shè)有正極集流導(dǎo)線；所述反應(yīng)罐為帶有上下兩個端面的容器，其上端面開有正極進(jìn)液口，下端面開有正極出液口，在反應(yīng)罐的四周側(cè)壁上開有孔洞，用來將負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)固定在反應(yīng)罐中。

上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述負(fù)極集流芯為實心棒狀或空心管狀，直徑一般為2-50mm，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有直徑為0.5-20mm的負(fù)極集流導(dǎo)線，用于集流。負(fù)極集流芯材料選用不銹鋼、銅合金、導(dǎo)電石墨，或者表面鍍鋰的金屬材料中的一種。

在負(fù)極集流芯的外側(cè)卷繞一層或多層鋰負(fù)極，所述鋰負(fù)極為箔狀或帶狀，每層鋰負(fù)極的厚度以0.05-0.5mm為宜。

上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述鏤空套管的孔隙可以為相互連通的孔隙，包括：蛇形孔、矩形孔等；也可以為互不連通的孔隙，包括：點陣孔、條紋孔等；內(nèi)套管和外套管上的孔隙可以相同或不同。鏤空套管的材料為電子不導(dǎo)電的非金屬材料，例如聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其他電子不導(dǎo)電的非金屬材料。

上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述多孔隔膜的材料采用聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等電子不導(dǎo)電的聚合物材料中的一種；或者采用玻璃纖維無紡布、合成纖維無紡布、陶瓷纖維紙等電子不導(dǎo)電的微孔無機非金屬材料中的一種；或者，多孔隔膜的材料采用電子不導(dǎo)電的聚合物基體、液體有機增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料；或者，采用鋰快離子導(dǎo)體粉體和/或陶瓷顆粒與膠粘劑混合制作而成的復(fù)合材料。

上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述正極集流芯纏繞在所述鏤空套管外套管的表面，纏繞節(jié)距以0.5-5mm為宜，正極集流芯與多孔隔膜的距離優(yōu)選小于5mm。在正極集流芯兩端設(shè)有直徑為2-20mm的正極集流導(dǎo)線。所述正極集流芯材料選用不銹鋼、鋁合金和導(dǎo)電石墨中的一種。