[發明專利]一種氣相逆流的無隔膜金屬-含氧氣體液流電池

有效

• 申請號: 201811532356.4
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109638309B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 李釩;王越;侯海元;安振濤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M8/00
• 分類號: H01M8/00;H01M8/04082;H01M8/18;H01M12/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種氣相逆流的無隔膜金屬?含氧氣體液流電池，裝置為無隔膜設計，分為液流電池主體和儲罐兩個部分，電池和儲罐設有只需一個循環泵驅動的電解液循環。液流電池主體為液相循環外塔和液相循環內塔的套筒式結構，外塔和內塔分別設有正極和負極，電解液由內塔進入外塔，空氣由氣相入口進入外塔與內塔之間，均勻分散到電解液中，與正極表面的空氣電極催化劑、電解液離子發生氧化還原反應，反應后殘余的含有空氣的電解液進入到儲罐中進行再生，再生后的電解液經循環泵鼓入液相循環內塔，完成一個工作循環。該液流電池為無隔膜、氣相逆流、單循環泵設計，適用溫度范圍廣，無隔膜老化帶來的危險，同時降低了使用能耗，提高電池工作效率。

技術領域

本發明涉及金屬-空氣液流電池領域，特別是一種氣相逆流的無隔膜金屬-含氧氣體液流電池。

背景技術

隨著科學技術的發展，對能源的需求也越來越高，對高能量密度電池的需求逐漸增大，因此燃料電池，金屬-空氣(氧氣)電池，液流電池等發展速度也隨之加快。金屬-空氣(氧氣)電池，由于其電極材料簡單：負極為金屬，正極材料為空氣(氧氣)，能量密度高：以鋰-空氣電池為例，其理論能量密度為11400Wh/kg，的特點，引起了人們的廣泛研究。液流電池由于其原理簡單:通過氧化還原電對的電子遷移獲得能量；其容量可根據電解液體積，濃度及液流速度進行調控，由于其液體循環流動，所以充放電循環性能好等特點，在三十余年的研究中迅速發展。

金屬-空氣(氧氣)液流電池作為液流電池中的沉積型儲能電池(CN101714680)同時具有金屬-空氣(氧氣)電池和液流電池兩種特點：其負極材料使用金屬單質(鋰，鈉，鎂，鋁，鋅等)，正極使用空氣(氧氣)作為反應物，在空氣電極催化劑與電解液的界面進行反應：以有機電解液體系鋰空氣電池為例，放電時，負極金屬鋰失去電子變成鋰離子進入電解液中，正極空氣(氧氣)在空氣電極界面上發生氧還原反應，與鋰離子結合生成過氧化鋰；充電時，空氣電極上的過氧化鋰發生分解，生成鋰離子和氧氣，同時負極表面上的鋰離子得電子，沉積在負極表面變成鋰單質。

現有的金屬-空氣液流電池，如專利(CN102013536、CN102625960)中都使用了隔膜，用來進行離子交換和保護金屬負極，然而由于隔膜的使用又限制了電池的工作條件：例如在燃料電池中，使用的質子交換膜由于工作溫度不高于120℃，大大限制了電池的效率。并且在使用過程中，隔膜的老化也會使得電池短路，進而引發爆炸，使得電池的安全性大打折扣。而且在電解液的循環流動中能量利用率不高，需要兩個循環泵各自帶動正、負極電解液流動，且結構復雜，投資高，能耗大，電池運行成本高，經濟效益差。

為了克服以上缺點，本發明提出了一種氣相逆流的無隔膜金屬-含氧氣體液流電池。

發明內容

全文中出現空氣(氧氣)表示空氣或氧氣，純氧氣也可以，空氣也可以，包括人工合成的空氣例如僅僅包括氧氣和氮氣，經過過濾裝置處理后的空氣。

本發明的目的在于解決金屬-空氣(氧氣)液流電池隔膜的工作溫度限制、老化問題以及電池電解液流動過程中的高能耗問題，因此發明了一種氣相逆流的無隔膜金屬-含氧氣體液流電池。首先，該裝置應用一個循環泵，實現電解液在正負極之間的循環流動，減低了電解液循環流動中所需能耗；其次，在電池使用中無需隔膜，解決了金屬空氣(氧氣)液流電池的工作溫度限制以及老化問題；再次，空氣氣泡與反應催化劑作為正極，與電解液逆向流動，充分接觸，形成了氣相逆流，降低了擴散控速環節，使得高倍率放電成為了可能；最后，通過在電解液儲罐中通入惰性氣體的方式，除去電解液中的溶解氧，實現了電解液的循環與再生。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：一種氣相逆流的無隔膜金屬-含氧氣體液流電池。該裝置包括：氣相出口(1)、液相循環(2)、液相循環內塔(3)、液相循環外塔(4)、負極(5)、正極(6)、氣相循環(7)、氣相入口(8)、儲罐氣相進口(9)、儲罐(10)、儲罐氣相(11)、液相出口(12)、液相進口(13)、循環泵(14)、儲罐氣相出口(15)。