一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池制造技术

本发明专利技术公开一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，包括第一集流层、隔膜、位于所述第一集流层和所述隔膜之间的第一反应腔、位于所述第一反应腔中并同时与所述第一集流层和所述隔膜形成接触的第一多孔集流体、位于所述第一反应腔中并与所述第一多孔集流体接触的第一活性悬浮液，所述第一活性悬浮液包括电解液和具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料，所述第一集流层靠近所述隔膜侧设置有第一凹槽。通过去除活性悬浮液中的导电剂降低其粘度，然后在反应腔中固定有多孔集流体，利用该多孔集流体的三维导电骨架提供电子传导网络，可同时达到降低活性悬浮液粘度和保障有效的电子传导的目的。导的目的。导的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池。

技术介绍

[0002]近年来，我国风电和光伏发电规模获得了长足的发展，截止2018年底，它们的装机容量已分别达184GW和175GW，合计占全部电力装机的18.9％。然而，由于风能和太阳能具有间歇性、不可控等特征，大规模地直接并网会给电网的稳定性和安全性带来巨大冲击。因此，目前急需发展高效的大型储电装置以解决发电和用电时间不匹配的问题以及保证电能的平滑输出。在众多的储电系统中，化学电池因其地理位置选取灵活、响应速度快、能量转换效率高等优点，具有大规模储电的应用和发展前景。
[0003]液流电池具有容量和功率可分别独立设计的特点，在大规模拓展容量时，有利于简化电池堆结构和降低成本，适合作为大规模的电网储电设备。但是，液流电池仍存在能量密度低的问题。以全钒液流电池为例，受限于水性电解液的电解电压(约为1.5V)和钒离子的溶解度(约为1～2mol/L)，其能量密度仅为40Wh/L左右，约为锂离子电池的1/5～1/10，大幅增加了其建设成本、限制了其应用范围。尽管添加活性剂能一定程度上提高钒离子的溶解度，但实际可获得的浓度最大仅为3mol/L左右。将常规的单相电解液转变为含有大量活性物质颗粒的固
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液两相悬浮液，从而突破溶解度的限制以达到大幅增加活性物质的目的，是近年发展起来的崭新思路。美国麻省理工学院Yet
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Ming Chiang等人首次将嵌锂材料、碳黑导电剂及电解液形成的活性悬浮液应用到液流电池中，提出了流动式锂离子电池的概念，该新型电池(其结构如图1所示)在C/8的放电倍率下可获得134mAh/g的容量密度和80％的库伦效率，理论能量密度可达300～500Wh/L，展示出良好的发展潜力。
[0004]然而，现有流动式锂离子电池的活性悬浮液需加入大量的导电碳黑颗粒，使其在空间上形成连续的动态导电网络，因此，存在活性悬浮液粘度高、易堵塞流道、泵功损耗大等问题。例如Yet
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Ming Chiang等人最初提出的钴酸锂悬浮液粘度就高达2000cP。目前，添加表面活性剂、筛选和优化导电剂材料是常规降低活性悬浮液粘度的方法，但改善效果仍有限。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，旨在解决现有流动式锂离子电池中的活性悬浮液的粘度高的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其中，所述基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池包括第一集流层、隔膜、位于所述第一集流层和所述隔膜之间的第一反应腔、位于所述第一反应腔中并同时与所述第一集流层和所述隔膜形成接触
的第一多孔集流体、位于所述第一反应腔中并与所述第一多孔集流体接触的第一活性悬浮液，所述第一活性悬浮液包括电解液和具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料，所述第一集流层靠近所述隔膜侧设置有第一凹槽。
[0009]可选地，所述第一多孔集流体的材料选自碳纤维材料、石墨材料、金属材料中的一种。
[0010]可选地，所述碳纤维材料选自碳纸、碳布、碳毡中的一种，所述石墨材料选自石墨泡沫、膨胀石墨、石墨毡中的一种，所述金属材料选自泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛、泡沫铝中的一种。
[0011]可选地，所述第一多孔集流体的厚度为0.01
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5mm，和/或，所述第一多孔集流体的孔隙率为30％
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99％，和/或，所述第一多孔集流体的孔径为0.1
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100μm。
[0012]可选地，所述第一凹槽的深度为0.05
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5mm。
[0013]可选地，所述第一凹槽的形状为回形、网格形、蛇形、叉指形中的一种或多种。
[0014]可选地，所述第一集流层的厚度为1
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20mm，和/或，所述第一集流层与所述隔膜之间的距离为0.03
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5mm。
[0015]可选地，所述具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料选自钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物中的一种或多种，或，所述具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料选自硅基合金、锂钛氧化物、铝基合金中的一种或多种。
[0016]可选地，所述基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池还包括与所述第一集流层相对设置在所述隔膜两侧的第二集流层、位于所述第二集流层和所述隔膜之间的第二反应腔、位于所述第二反应腔中并同时与所述第二集流层和所述隔膜形成面接触的第二多孔集流体、位于所述第二反应腔中并与所述第二多孔集流体接触的第二活性悬浮液，所述第二活性悬浮液包括电解液和具有脱嵌锂离子功能的第二活性材料，所述第二集流层靠近所述隔膜侧设置有第二凹槽，当所述具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料选自钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物中的一种或多种时，所述具有脱嵌锂离子功能的第二活性材料选自硅基合金、锂钛氧化物、铝基合金中的一种或多种，当所述具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料选自硅基合金、锂钛氧化物、铝基合金中的一种或多种时，所述具有脱嵌锂离子功能的第二活性材料选自钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物中的一种或多种。
[0017]可选地，所述第二凹槽的形状为回形、网格形、蛇形、叉指形中的一种或多种。
[0018]有益效果：本专利技术提供了一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，通过去除活性悬浮液中的导电剂，使得活性悬浮液具有较小的粘度，然后在集流层和隔膜之间的反应腔中固定有与隔膜和集流层同时形成接触的多孔集流体，利用该多孔集流体的三维导电骨架提供导电率高和稳定的电子传导网络，当活性悬浮液与多孔集流体接触时，可以实现电子的传输。因此，本专利技术提供的流动式锂离子电池可同时达到降低活性悬浮液粘度和保障有效的电子传导的目的。此外，为了进一步加强活性悬浮液的流动性，减少驱动悬浮液流动所需的能量，本专利技术中集流层靠近所述隔膜侧设置有凹槽，活性悬浮液在凹槽中流动，加强了活性悬浮液的流动性，提高了活性悬浮液的均一性，降低活性悬浮液流经电池的进出口压降，减少驱动悬浮液流动所需要的能量。
附图说明
[0019]图1为现有技术中入流式流场结构的流动式锂离子电池的结构示意图。
[0020]图2中(a)为现有技术中入流式流场结构的流动式锂离子电池的集流体、隔膜、反应腔的截面结构示意图，图2中(b)为本专利技术实施例中旁流式流场结构的流动式锂离子电池的集流体、隔膜、反应腔中的截面结构示意图。
[0021]图3为本专利技术实施例1中30LFP
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5KB、10LFP、20LFP、30LFP、40LFP在不同剪切速率下粘度测试结果图。
[0022]图4为本专利技术实施例2中经过充放电测试后的含有碳毡、碳纸、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池包括第一集流层、隔膜、位于所述第一集流层和所述隔膜之间的第一反应腔、位于所述第一反应腔中并同时与所述第一集流层和所述隔膜形成接触的第一多孔集流体、位于所述第一反应腔中并与所述第一多孔集流体接触的第一活性悬浮液，所述第一活性悬浮液包括电解液和具有脱嵌锂离子功能的第一活性材料，所述第一集流层靠近所述隔膜侧设置有第一凹槽。2.根据权利要求1所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述第一多孔集流体的材料选自碳纤维材料、石墨材料、金属材料中的一种。3.根据权利要求2所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述碳纤维材料选自碳纸、碳布、碳毡中的一种，所述石墨材料选自石墨泡沫、膨胀石墨、石墨毡中的一种，所述金属材料选自泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛、泡沫铝中的一种。4.根据权利要求1所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述第一多孔集流体的厚度为0.01
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5mm，和/或，所述第一多孔集流体的孔隙率为30％
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99％，和/或，所述第一多孔集流体的孔径为0.1
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100μm。5.根据权利要求1所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述第一凹槽的深度为0.05
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5mm。6.根据权利要求1所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所述第一凹槽的形状为回形、网格形、蛇形、叉指形中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的基于旁流式流场结构的流动式锂离子电池，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴其兴，兰泉，王芳，张家乐，谭国来，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：