一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法，其中，(a)对电池反应器中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液进行充电或放电，将电池反应器充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；(b)对电池反应器进行n次间歇扰动，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的0.05％～10％；(c)对电池反应器进行整体换液，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的90％～100％；(d)重复步骤b—c，直至储液装置、正极反应腔和负极反应腔中需充电或需放电的正极悬浮液和负极悬浮液充电结束或放电结束。根据本发明专利技术的驱动控制方法，能够使得电极悬浮液中的活性材料尽可能完全地发生反应，并且能够有效提高电池系统的能量效率和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法
本专利技术涉及储能电池领域，具体地涉及一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法。
技术介绍
锂离子液流电池是最新发展起来的一种电化学电池技术，它综合了锂电池和液流电池的优点，是一种输出功率和储能容量彼此独立，且能量密度大、成本较低的新型二次电池。它可以广泛应用于分布式发电、智能电网、基站储能、电网调峰调频等领域。利用化学电源进行蓄电储能，可以不受地理条件限制，有望实现大规模储能，具有重大的社会经济价值。虽然锂离子液流电池在大规模储能应用中拥有诸多的优势，但是，由于电极悬浮液的粘度较大，若采用传统液流电池的连续驱动方式将导致驱动系统的能耗过大，所以锂离子液流电池宜采用间歇式驱动电极悬浮液循环流动的控制方式，这样能够有效降低能耗，提高电池系统效率。中国专利技术专利CN201410027599.8公开了一种锂离子液流电池的集流内阻解耦结构，基于该集流内阻解耦结构可以增加锂离子液流电池反应器的反应容量以及电极悬浮液的可流动性，降低电极悬浮液与电池反应器腔体内的机械摩擦能量损耗，使得电池反应器的腔体厚度可以适当增加。但是，若采用间歇方式驱动电极悬浮液，在间歇时间段内——即静置不动的时间段内，电极悬浮液会在电池反应腔内形成沉降，而且远离集流体区域的电极悬浮液中的活性材料无法得到完全反应。
技术实现思路
针对以上存在的问题，本专利技术提供一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法，通过监测电池反应器工作电压使得当工作电压达到预定值后，利用电池驱动系统快速地向电池反应器内注入一定量的电极悬浮液。注入的电极悬浮液对电池反应器内原有的电极悬浮液进行间歇扰动，改善了电极悬浮液的沉降问题并且使得未发生电化学反应的活性材料和已发生电化学反应的活性材料发生位置互换，从而使得电极悬浮液中的活性材料尽可能完全地发生反应。当对电池反应器的间歇扰动次数达到预定次数或者电池的能量效率达到预定值后，启动电池驱动系统，推动新的电极悬浮液进入到电池反应腔内，将电池反应腔内原有的电极悬浮液推出，这样能够有效提高电池系统的能量效率和循环寿命，降低电池驱动系统能量损耗。本专利技术提供一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法，其中，a.对电池反应器中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液进行充电或放电，将电池反应器充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；b.对电池反应器进行间歇扰动，其中，首先，驱动系统驱动储液装置中的未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的0.05％～10％；然后，将电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；执行间歇扰动的次数为n次，其中n≥0；c.对电池反应器进行整体换液，其中，首先，驱动系统继续驱动储液装置中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的90％～100％；然后，将电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；d.重复步骤b—c，直至储液装置、正极反应腔和负极反应腔中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液充电结束或放电结束。在上述步骤a中，充电截止电压和放电截止电压是根据具体的正极悬浮液和负极悬浮液中的电极活性材料来决定。例如，磷酸铁锂正极活性材料和石墨负极活性材料的充电截止电压和放电截止电压分别为3.65V、2.0V；钴酸锂正极活性材料和石墨负极活性材料的充电截止电压和放电截止电压分别为4.2V、2.5V。正极悬浮液包括电解液以及能够在电解液中流动的正极导电颗粒，其中，正极导电颗粒占正极电极浆料的质量比为10％～90％，平均粒径为0.5μm～500μm。正极导电颗粒为正极活性材料与导电剂的复合物或混合物。正极活性材料与导电剂复合或混合的方式包括表面包覆、粘接或机械混合。其中，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、硫单质、硫碳复合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物和锂铁镍锰氧化物中的一种或多种，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳以及各类金属导电颗粒中的一种或几种。负极悬浮液包括电解液以及能够在电解液中流动的负极导电颗粒，其中，负极导电颗粒占负极电极浆料的质量比为10％～90％，平均粒径为0.5μm～500μm。负极导电颗粒为负极活性材料与导电剂的复合物或混合物。负极活性材料与导电剂复合或混合的方式包括表面包覆、粘接或机械混合。其中，负极活性材料为可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物和碳材料中的一种或几种，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳或金属导电颗粒中的一种或几种。上述的步骤b可以称为间歇扰动步骤。通过向电池反应器的正极反应腔和负极反应腔少量地注入电极悬浮液，对正极反应腔和负极反应腔内已经存在的电极悬浮液进行流体扰动，从而降低电池悬浮液中的电极导电颗粒在电池腔内的沉降，使得电极悬浮液中的电极活性材料尽量完全发生反应。少量注入的正、负极注液量可以为正极反应腔容积和负极反应腔容积的0.05％～10％。在间歇扰动步骤中的每次间歇扰动的持续时间很短，优选地，可以控制在几毫秒至几秒。可以在单次间歇扰动或多次重复间歇扰动之后，对反应器进行上述的整体换液步骤——步骤c。其中扰动次数n可以根据电极反应腔内的电极活性材料的具体反应情况来确定。也就是说，通过n次注入电极反应腔的电极悬浮液，尽可能使得电极反应腔内的电极悬浮液中的电极活性材料通过位置交换而全部参与反应。此处应当指出，扰动次数n可以是单次也可以是多次；另外，在例如快速充放电等情况下，扰动次数n也可以为零，即在两次整体换液步骤之间没有间歇扰动步骤。整体换液的正、负极注液量可以为正极反应腔容积和负极反应腔容积的90％～100％。整体换液的持续时间相对于间歇扰动的持续时间来讲较长，优选地，整体换液的持续时间可以控制在几秒至几分钟、甚至几十分钟。上述的间歇扰动步骤和整体换液步骤合起来可以统称为一个换液周期。需在多个换液周期重复进行上述步骤b和步骤c，直至储液装置、正极反应腔和负极反应腔中所需充电或放电的正极悬浮液和负极悬浮液充电结束或放电结束。另外，重复间歇扰动的次数n还可以通过具体的反应过程参数来确定。例如，执行间歇扰动的次数n可以由电池反应器能量效率δe来确定。当电池反应器能量效率δe小于预定能量效率δ0时重复进行间歇扰动，当电池反应器能量效率δe大于等于预定能量效率δ0时进行电池反应器的整体换液。预定能量效率δ0的范围可以为75％≤δ0≤95％。其中，电池反应器能量效率通过公式来计算，Q为在包括间歇扰动步骤及整体换液步骤的一个换液周期内流经正极反应腔或负极反应腔的全部电极悬浮液的储能容量，Qa为在包括间歇扰动步骤及整体换液步骤的一个换液周期内电池反应器的实际充电电荷电容量或放电电荷电容量。具体地讲，储能容量Q＝ρ×(V+nV′),ρ为正极悬浮液的能量密度并且V为正极反应腔的容积，或者ρ为负极悬浮液的能量密度并且V为负极反应腔的容积，V′为每次间歇扰动所注入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法，其特征在于，a.对电池反应器中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液进行充电或放电，将所述电池反应器充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；b.对所述电池反应器进行间歇扰动，其中，首先，驱动系统驱动储液装置中的未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入所述电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的0.05％～10％；然后，将所述电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；执行间歇扰动的次数为n次，其中n≥0；c.对所述电池反应器进行整体换液，其中，首先，所述驱动系统继续驱动所述储液装置中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入所述电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为所述正极反应腔容积和所述负极反应腔容积的90％～100％；然后，将所述电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；d.重复步骤b—c，直至所述储液装置、所述正极反应腔和所述负极反应腔中需充电或需放电的正极悬浮液和负极悬浮液充电结束或放电结束。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子液流电池系统的驱动控制方法，其特征在于，a.对电池反应器中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液进行充电或放电，将所述电池反应器充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；b.对所述电池反应器进行间歇扰动，其中，首先，驱动系统驱动储液装置中的未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入所述电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为正极反应腔容积和负极反应腔容积的0.05％～10％；然后，将所述电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；执行间歇扰动的次数为n次，其中n≥0；c.对所述电池反应器进行整体换液，其中，首先，所述驱动系统继续驱动所述储液装置中未充电或已充电的正极悬浮液和负极悬浮液分别进入所述电池反应器的正极反应腔和负极反应腔，正、负极注液量为所述正极反应腔容积和所述负极反应腔容积的90％～100％；然后，将所述电池反应器再次充电至充电截止电压或放电至放电截止电压；d.重复步骤b—c，直至所述储液装置、所述正极反应腔和所述负极反应腔中需充电或需放电的正极悬浮液和负极悬浮液充电结束或放电结束。2.根据权利要求1所述的锂离子液流电池系统的驱动控制方法，其中，执行间歇扰动的次数n能够由电池反应器能量效率δe来确定，当所述电池反应器能量效率δe小于预定能量效率δ0时重复进行间歇扰动，当所述电池反应器能量效率δe大于等于所述预定能量效率δ0时进行电池反应器的整体换液，其中，所述电池反应器能量效率Q为在包括间歇扰动步骤b及整体换液步骤c的一个换液周期内流经所述正极反应腔或所述负极反应腔的全部电极悬浮液的储能容量，Qa为在包括间歇扰动步骤b及整体换液步骤c的一个换液周期内所述电池反应器的实际充电电荷电容量或放电电荷电容量；其中，所述储能容量Q＝ρ×(V+nV′),ρ为正极悬浮液的能量密度并且V为所述正极...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓虎，李爱晶，陈永翀，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11