[發明專利]一種基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池

在審

• 申請號: 202110739082.1
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113437353A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 吳其興;蘭泉;王芳;張家樂;譚國來
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開一種基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池，包括第一集流層、隔膜、位于所述第一集流層和所述隔膜之間的第一反應腔、位于所述第一反應腔中并同時與所述第一集流層和所述隔膜形成接觸的第一多孔集流體、位于所述第一反應腔中并與所述第一多孔集流體接觸的第一活性懸浮液，所述第一活性懸浮液包括電解液和具有脫嵌鋰離子功能的第一活性材料，所述第一集流層靠近所述隔膜側設置有第一凹槽。通過去除活性懸浮液中的導電劑降低其粘度，然后在反應腔中固定有多孔集流體，利用該多孔集流體的三維導電骨架提供電子傳導網絡，可同時達到降低活性懸浮液粘度和保障有效的電子傳導的目的。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池。

背景技術

近年來，我國風電和光伏發電規模獲得了長足的發展，截止2018年底，它們的裝機容量已分別達184GW和175GW，合計占全部電力裝機的18.9％。然而，由于風能和太陽能具有間歇性、不可控等特征，大規模地直接并網會給電網的穩定性和安全性帶來巨大沖擊。因此，目前急需發展高效的大型儲電裝置以解決發電和用電時間不匹配的問題以及保證電能的平滑輸出。在眾多的儲電系統中，化學電池因其地理位置選取靈活、響應速度快、能量轉換效率高等優點，具有大規模儲電的應用和發展前景。

液流電池具有容量和功率可分別獨立設計的特點，在大規模拓展容量時，有利于簡化電池堆結構和降低成本，適合作為大規模的電網儲電設備。但是，液流電池仍存在能量密度低的問題。以全釩液流電池為例，受限于水性電解液的電解電壓(約為1.5V)和釩離子的溶解度(約為1～2mol/L)，其能量密度僅為40Wh/L左右，約為鋰離子電池的1/5～1/10，大幅增加了其建設成本、限制了其應用范圍。盡管添加活性劑能一定程度上提高釩離子的溶解度，但實際可獲得的濃度最大僅為3mol/L左右。將常規的單相電解液轉變為含有大量活性物質顆粒的固-液兩相懸浮液，從而突破溶解度的限制以達到大幅增加活性物質的目的，是近年發展起來的嶄新思路。美國麻省理工學院Yet-Ming Chiang等人首次將嵌鋰材料、碳黑導電劑及電解液形成的活性懸浮液應用到液流電池中，提出了流動式鋰離子電池的概念，該新型電池(其結構如圖1所示)在C/8的放電倍率下可獲得134mAh/g的容量密度和80％的庫倫效率，理論能量密度可達300～500Wh/L，展示出良好的發展潛力。

然而，現有流動式鋰離子電池的活性懸浮液需加入大量的導電碳黑顆粒，使其在空間上形成連續的動態導電網絡，因此，存在活性懸浮液粘度高、易堵塞流道、泵功損耗大等問題。例如Yet-Ming Chiang等人最初提出的鈷酸鋰懸浮液粘度就高達2000cP。目前，添加表面活性劑、篩選和優化導電劑材料是常規降低活性懸浮液粘度的方法，但改善效果仍有限。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池，旨在解決現有流動式鋰離子電池中的活性懸浮液的粘度高的問題。

本發明的技術方案如下：

本發明提供一種基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池，其中，所述基于旁流式流場結構的流動式鋰離子電池包括第一集流層、隔膜、位于所述第一集流層和所述隔膜之間的第一反應腔、位于所述第一反應腔中并同時與所述第一集流層和所述隔膜形成接觸的第一多孔集流體、位于所述第一反應腔中并與所述第一多孔集流體接觸的第一活性懸浮液，所述第一活性懸浮液包括電解液和具有脫嵌鋰離子功能的第一活性材料，所述第一集流層靠近所述隔膜側設置有第一凹槽。

可選地，所述第一多孔集流體的材料選自碳纖維材料、石墨材料、金屬材料中的一種。

可選地，所述碳纖維材料選自碳紙、碳布、碳氈中的一種，所述石墨材料選自石墨泡沫、膨脹石墨、石墨氈中的一種，所述金屬材料選自泡沫銅、泡沫鎳、泡沫鈦、泡沫鋁中的一種。