[發(fā)明專利]一種外加磁場的磁性顆粒附著電極的液流電池結(jié)構(gòu)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811527299.0
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109728314B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉柏辰;鄭夢蓮;孫潔;陳濤;劉珂;張良;范利武;俞自濤
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發(fā)明公開了一種外加磁場的磁性顆粒附著電極的液流電池結(jié)構(gòu)及方法，屬于新能源儲能領(lǐng)域。液流電池外部設(shè)有磁場加載裝置，該磁場加載裝置產(chǎn)生的磁場穿透液流電池的正負(fù)電極；正負(fù)電極上均附著有用于增大電極比表面積的磁性納米顆粒，且正負(fù)電極上磁性納米顆粒的附著面朝向相同，使磁性納米顆粒在磁場力作用下緊貼于電極表面。本發(fā)明主要是通過納米磁性顆粒附著電極，在外加磁場的作用下使磁性顆粒以磁場力而非范德華力的方式附著在電極表面，能保證納米顆粒附著的均勻性和穩(wěn)定性，在長時(shí)間的充放電循環(huán)過程中能保持高電化學(xué)活性和高比表面積，在穩(wěn)定提高液流電池的電壓效率方面具有一定優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源儲能領(lǐng)域，具體涉及一種外加磁場的磁性顆粒附著電極的液流電池結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)

太陽能、風(fēng)能等可再生能源在發(fā)電過程中，由于受到季節(jié)更替等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致可再生能源發(fā)電輸出與用電需求不同步。因此需要在電網(wǎng)中配置相應(yīng)的儲能設(shè)備來調(diào)節(jié)能源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)削峰填谷并提高電力品質(zhì)。作為目前最適合應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域的大規(guī)模儲能技術(shù)之一，液流電池不僅具有充放電容量高，功率與容量相互獨(dú)立，易于規(guī)模化建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)，還可滿足安全性與靈活性的需求，在儲能技術(shù)中具有一定的優(yōu)勢。

液流電池系統(tǒng)由電堆、電解液儲罐、循環(huán)泵等設(shè)備組成，其中電堆由數(shù)節(jié)單電池按壓濾機(jī)的方式疊合組裝。與一般固態(tài)電池不同的是，液流電池的正極和負(fù)極電解液儲存于電池外部的儲罐中，通過泵和管路輸送到電池內(nèi)部，在電堆中通過正負(fù)極電解液活性物質(zhì)發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。自20世紀(jì)70年代以來，先后出現(xiàn)了不同類型的液流電池。根據(jù)電解液活性物質(zhì)的不同主要分為全釩、鐵鉻、鋅溴液流電池等，其中全釩液流電池是目前發(fā)展最成熟的液流電池。

對于液流電池而言，電壓效率是評價(jià)電池性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。對電極(石墨氈或碳紙)進(jìn)行預(yù)處理的方式可有效提高電極的電化學(xué)性能，因此，有學(xué)者通過對電極材料進(jìn)行熱處理、酸堿處理或納米顆粒附著的方式，增大電極的比表面積并強(qiáng)化電極材料的電化學(xué)性能，從而有效降低活化及濃差極化損失。在不同電流密度下，電池的電壓效率及電解液利用率都有較大幅度的提升。

在電極預(yù)處理方式中，通過納米顆粒附著的方式能有效提高電極表面的有效反應(yīng)面積，改善電極的電化學(xué)活性，能有效降低活化及濃差過電勢，部分納米顆粒還可以起到催化電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的作用。相關(guān)技術(shù)人員做了深入研究，出現(xiàn)了以下技術(shù)：

申請?zhí)枮镃N201810301382.X的發(fā)明專利公開了一種全釩液流電池用電極的制備方法。以碳?xì)譃樵希ㄟ^在碳?xì)直砻孢M(jìn)行微刻蝕，并進(jìn)一步通過碳納米管修飾基地電極，可得到高比表面積、高電化學(xué)活性的電極，具有良好的耐腐蝕性和耐強(qiáng)氧化性，不易發(fā)生鈍化。

申請?zhí)枮镃N201710449392.3的發(fā)明專利公開了一種應(yīng)用于全釩液流電池的修飾電極及其制備方法。該修飾電極基體材料為碳紙或碳?xì)郑捎脫戒R的二氧化錫納米顆粒附著在碳紙或者碳?xì)掷w維表面。可增加電極的反應(yīng)比表面積，制備方法便捷，能解決全釩液流電池正極活性不足以及析氧副反應(yīng)的問題。

Blasi等人針對全釩液流電池采用Mn₃O₄納米顆粒附著石墨氈的方式來降低活化和濃差極化損失，在80mA/cm²的電流密度下使電壓效率從原始石墨氈的75％提高到了86％，而Wei等人則針對全釩液流電池采用銅納米顆粒附著石墨氈，有效增加了電極的反應(yīng)活性，在300mA/cm²的電流密度下還能保持80％左右的電壓效率。也使得電解液利用率有較明顯幅度的提升。

然而，盡管通過納米顆粒附著的電極預(yù)處理方式能帶來較高的電化學(xué)活性，但在液流電池的運(yùn)用中通常具有一個(gè)不可避免的問題。在電解液流速較高的場景下，附著的納米顆粒會隨著電解液逐漸脫離電極，在長時(shí)間的充放電循環(huán)中會逐漸失去作用，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容