一種鋰液流電池反應(yīng)器及電極懸浮液嵌鋰合成方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種鋰液流電池反應(yīng)器及電極懸浮液嵌鋰合成方法。所述電池反應(yīng)器是在反應(yīng)罐內(nèi)固定一個(gè)或多個(gè)由負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)。利用該電池反應(yīng)器能夠?qū)﹄姌O懸浮液進(jìn)行電化學(xué)合成嵌鋰，將電極懸浮液注入反應(yīng)罐，在反應(yīng)罐內(nèi)鋰負(fù)極脫嵌的鋰離子通過(guò)鏤空套管的孔隙、多孔隔膜，最終嵌入到電極懸浮液的活性材料顆粒中，通過(guò)調(diào)節(jié)電極懸浮液的流速、電壓和循環(huán)反應(yīng)的次數(shù)，來(lái)控制反應(yīng)罐內(nèi)電極懸浮液的電化學(xué)合成過(guò)程和嵌鋰程度。該方法能夠得到穩(wěn)定的富鋰電極材料或者具有較高電容量的亞穩(wěn)相含鋰合金，從而提高電池的能量密度和循環(huán)壽命。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于化學(xué)儲(chǔ)能電池技術(shù)，具體涉及ー種鋰液流電池反應(yīng)器及利用該電池反應(yīng)器對(duì)電極懸浮液電化學(xué)嵌鋰合成的方法。
技術(shù)介紹
鋰離子液流電池綜合了鋰離子電池和液流電池的優(yōu)點(diǎn)，是ー種輸出功率和儲(chǔ)能容量彼此獨(dú)立、能量密度大、電解液環(huán)保無(wú)毒的新型化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。鋰離子液流電池由正極懸浮液池、負(fù)極懸浮液池、電池反應(yīng)器、液泵(或者其他動(dòng)カ系統(tǒng))及密封管道組成。其中，正極懸浮液池盛放正極復(fù)合材料顆粒(如磷酸鐵鋰復(fù)合材料顆粒)和電解液的混合物，負(fù)極懸浮液池盛放負(fù)極復(fù)合材料顆粒(如鈦酸鋰復(fù)合材料顆粒)和電解液的混合物。鋰離子液流電池工作吋，電極懸浮液在液泵(或其他動(dòng)力)的推動(dòng)下通過(guò)密封管道在電極懸浮液池和電池反應(yīng)器之間流動(dòng)，流速可根據(jù)電極懸浮液濃度和環(huán)境溫度(或者動(dòng)カ大小)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，正極懸浮液由正極進(jìn)液ロ進(jìn)入電池反應(yīng)器的正極反應(yīng)腔，完成反應(yīng)后由正極出液ロ通過(guò)密封管道返回正極儲(chǔ)液罐。與此同時(shí)，負(fù)極懸浮液由負(fù)極進(jìn)液ロ進(jìn)入電池反應(yīng)器的負(fù)極反應(yīng)腔，完成反應(yīng)后由負(fù)極出液ロ通過(guò)密封管道返回負(fù)極儲(chǔ)液罐。在正極反應(yīng)腔與負(fù)極反應(yīng)腔之間有電子不導(dǎo)電的多孔隔膜，將正極懸浮液中的正極活性材料顆粒和負(fù)極懸浮液中的負(fù)極活性材料顆粒相互隔開，避免正負(fù)極活性材料顆粒直接接觸而導(dǎo)致電池內(nèi)部的短路。正極反應(yīng)腔內(nèi)的正極懸浮液和負(fù)極反應(yīng)腔內(nèi)的負(fù)極懸浮液可以通過(guò)多孔隔膜中的電解液進(jìn)行鋰離子交換傳輸。由于電池在首次充放電過(guò)程中形成的SEI膜會(huì)消耗部分不可逆容量，以及電池放電末端時(shí)陽(yáng)極中的鋰離子滯留在內(nèi)部而不能形成有效的容量，此時(shí)，正極懸浮液和/或負(fù)極懸浮液會(huì)因?yàn)榍朵嚥蛔慊蛘哐h(huán)一段時(shí)間后呈缺鋰狀態(tài)導(dǎo)致電池容量下降，循環(huán)壽命降低，阻礙了鋰離子液流電池的后續(xù)使用。因此，需要采取合適的方式對(duì)電極懸浮液中的電極活性材料進(jìn)行補(bǔ)鋰，或者，直接制備具有較高電容量的穩(wěn)定相富鋰電極材料或亞穩(wěn)相含鋰合金電極材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)以上問題，本專利技術(shù)提供了ー種鋰液流電池反應(yīng)器，同時(shí)，該電池反應(yīng)器可以作為電極懸浮液嵌鋰裝置為鋰離子液流電池的電極懸浮液嵌鋰以達(dá)到補(bǔ)鋰的效果，或者，直接制備具有較高電容量的穩(wěn)定相富鋰電極材料或亞穩(wěn)相含鋰合金電極材料，從而提高電池的循環(huán)壽命。本專利技術(shù)的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:ー種鋰液流電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐、正極集流芯、負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管和多孔隔膜；其中:所述負(fù)極集流芯為實(shí)心棒狀或空心管狀，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有負(fù)極集流導(dǎo)線；所述鋰負(fù)極為箔狀或帯狀，卷繞在負(fù)極集流芯的外表面；所述鏤空套管包括鏤空的內(nèi)套管和外套管，所述鋰負(fù)極和負(fù)極集流芯置于鏤空套管的內(nèi)套管內(nèi)；所述多孔隔膜固定于鏤空套管的內(nèi)套管和外套管之間；所述正極集流芯纏繞在鏤空套管的外套管表面，在正極集流芯兩端設(shè)有正極集流導(dǎo)線；所述反應(yīng)罐為帶有上下兩個(gè)端面的容器，其上端面開有正極進(jìn)液口，下端面開有正極出液口，在反應(yīng)罐的四周側(cè)壁上開有孔洞，用來(lái)將負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)固定在反應(yīng)罐中。上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述負(fù)極集流芯為實(shí)心棒狀或空心管狀，直徑一般為2-50mm，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有直徑為0.5_20mm的負(fù)極集流導(dǎo)線，用于集流。負(fù)極集流芯材料選用不銹鋼、銅合金、導(dǎo)電石墨，或者表面鍍鋰的金屬材料中的一種。在負(fù)極集流芯的外側(cè)卷繞一層或多層鋰負(fù)極，所述鋰負(fù)極為箔狀或帶狀，每層鋰負(fù)極的厚度以0.05-0.5mm為宜。上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述鏤空套管的孔隙可以為相互連通的孔隙，包括:蛇形孔、矩形孔等；也可以為互不連通的孔隙，包括:點(diǎn)陣孔、條紋孔等；內(nèi)套管和外套管上的孔隙可以相同或不同。鏤空套管的材料為電子不導(dǎo)電的非金屬材料，例如聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其他電子不導(dǎo)電的非金屬材料。上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述多孔隔膜的材料采用聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等電子不導(dǎo)電的聚合物材料中的一種；或者采用玻璃纖維無(wú)紡布、合成纖維無(wú)紡布、陶瓷纖維紙等電子不導(dǎo)電的微孔無(wú)機(jī)非金屬材料中的一種；或者，多孔隔膜的材料采用電子不導(dǎo)電的聚合物基體、液體有機(jī)增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料；或者，采用鋰快離子導(dǎo)體粉體和/或陶瓷顆粒與膠粘劑混合制作而成的復(fù)合材料。上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述正極集流芯纏繞在所述鏤空套管外套管的表面，纏繞節(jié)距以0.5-5mm為宜，正極集流芯與多孔隔膜的距離優(yōu)選小于5mm。在正極集流芯兩端設(shè)有直徑為2-20mm的正極集流導(dǎo)線。所述正極集流芯材料選用不銹鋼、鋁合金和導(dǎo)電石墨中的一種。上述鋰液流電池反應(yīng)器中，所述反應(yīng)罐為帶有上下兩個(gè)端面的容器，其橫截面形狀包括但不限于:圓形，方形、矩形、三角形等多邊形，或者其他異形封閉形狀。反應(yīng)罐的上端面設(shè)有正極進(jìn)液口，下端面設(shè)有正極出液口，電池工作時(shí)，正極懸浮液從反應(yīng)罐上端面的正極進(jìn)液口流入，完成反應(yīng)后由下端面的正極出液口流出。在反應(yīng)罐側(cè)壁的相對(duì)位置開有成對(duì)的孔洞，用來(lái)固定負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)罐側(cè)壁的同一個(gè)水平位置上可開設(shè)一對(duì)或多對(duì)孔洞，組成一組孔洞，一個(gè)反應(yīng)罐在豎直方向上可開設(shè)多組孔洞。一般的，同一組內(nèi)的各對(duì)孔洞之間的連線相互平行，不同組的各對(duì)孔洞之間的連線或平行、或相交。為便于安裝固定，所述負(fù)極集流芯的長(zhǎng)度大于鏤空套管的長(zhǎng)度，且大于反應(yīng)罐每對(duì)孔洞的連線長(zhǎng)度，反應(yīng)罐側(cè)壁孔洞直徑與負(fù)極集流芯直徑的尺寸配合加工，負(fù)極集流芯兩端插入孔洞，與反應(yīng)罐之間采用帶有密封墊圈的固定件固定，并且密封以防止電池反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)罐內(nèi)正極懸浮液外漏。進(jìn)一步，本專利技術(shù)鋰液流電池反應(yīng)器還包括氣體保護(hù)罩，所述氣體保護(hù)罩為一密閉箱體，整個(gè)反應(yīng)罐置于氣體保護(hù)罩內(nèi)。通常，氣體保護(hù)罩開有進(jìn)液孔、出液孔、進(jìn)氣口和出氣口，以及正極極柱孔和負(fù)極極柱孔，其中:進(jìn)液孔與反應(yīng)罐的正極進(jìn)液口相連，出液孔與反應(yīng)罐的正極出液口相連；所有正極集流導(dǎo)線在氣體保護(hù)罩內(nèi)攏合到一起由正極極柱孔引出構(gòu)成正極極柱，所有負(fù)極集流導(dǎo)線在氣體保護(hù)罩內(nèi)攏合到一起由負(fù)極極柱孔引出構(gòu)成負(fù)極極柱。電池工作時(shí)，惰性氣體由進(jìn)氣ロ進(jìn)入氣體保護(hù)罩，為整個(gè)電池反應(yīng)器提供惰性氣體保護(hù)氛圍，多余氣體由出氣ロ排出。本專利技術(shù)還提供了ー種電極懸浮液嵌鋰合成的方法，采用上述鋰液流電池反應(yīng)器作為電化學(xué)合成嵌鋰裝置，對(duì)電極懸浮液進(jìn)行電化學(xué)合成嵌鋰，其步驟包括:a)按照合適的比例取電極活性材料和電解液配制成電極懸浮液；b)電極懸浮液由反應(yīng)罐的正極進(jìn)液ロ進(jìn)入反應(yīng)罐內(nèi)，在反應(yīng)罐內(nèi)鋰負(fù)極脫嵌的鋰離子通過(guò)鏤空套管的孔隙、多孔隔膜，最終嵌入到反應(yīng)罐內(nèi)電極懸浮液的活性材料顆粒中；c)通過(guò)調(diào)節(jié)電極懸浮液的流速和電池反應(yīng)器電壓的大小，來(lái)控制反應(yīng)罐內(nèi)電極懸浮液的電化學(xué)合成過(guò)程和嵌鋰程度；d)反應(yīng)后的電極懸浮液由反應(yīng)罐的正極出液ロ流出，根據(jù)需要可以循環(huán)反復(fù)反應(yīng)，直到電化學(xué)合成的電極懸浮液達(dá)到要求為止。本專利技術(shù)的優(yōu)勢(shì):I)本專利技術(shù)采用電化學(xué)合成法合成亞穩(wěn)相含鋰合金或者嵌鋰電極材料，與其他合成方法相比，電化學(xué)合成法合成的電極材料含鋰量高，性能穩(wěn)定；2)本專利技術(shù)的鋰液流電池反應(yīng)器以金屬鋰為負(fù)極，在電池充放電過(guò)程中，鋰負(fù)極脫嵌的鋰離子通過(guò)鏤空套管的孔隙、多孔隔膜，最終嵌入到反應(yīng)罐內(nèi)正極懸浮液的正極活性材料顆粒中，能夠?yàn)殡姌O懸浮液電化學(xué)合成嵌鋰，從而提高電池的能量密度和循環(huán)次數(shù)，整個(gè)電本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種鋰液流電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐、正極集流芯、負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管和多孔隔膜；其中：所述負(fù)極集流芯為實(shí)心棒狀或空心管狀，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有負(fù)極集流導(dǎo)線；所述鋰負(fù)極為箔狀或帶狀，卷繞在負(fù)極集流芯的外表面；所述鏤空套管包括鏤空的內(nèi)套管和外套管，所述鋰負(fù)極和負(fù)極集流芯置于鏤空套管的內(nèi)套管內(nèi)；所述多孔隔膜固定于鏤空套管的內(nèi)套管和外套管之間；所述正極集流芯纏繞在鏤空套管的外套管表面，在正極集流芯兩端設(shè)有正極集流導(dǎo)線；所述反應(yīng)罐為帶有上下兩個(gè)端面的容器，其上端面開有正極進(jìn)液口，下端面開有正極出液口，在反應(yīng)罐的四周側(cè)壁上開有孔洞，用來(lái)將負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)固定在反應(yīng)罐中。

【技術(shù)特征摘要】
1.ー種鋰液流電池反應(yīng)器，包括反應(yīng)罐、正極集流芯、負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管和多孔隔膜；其中:所述負(fù)極集流芯為實(shí)心棒狀或空心管狀，在負(fù)極集流芯的兩端設(shè)有負(fù)極集流導(dǎo)線；所述鋰負(fù)極為箔狀或帯狀，卷繞在負(fù)極集流芯的外表面；所述鏤空套管包括鏤空的內(nèi)套管和外套管，所述鋰負(fù)極和負(fù)極集流芯置于鏤空套管的內(nèi)套管內(nèi)；所述多孔隔膜固定于鏤空套管的內(nèi)套管和外套管之間；所述正極集流芯纏繞在鏤空套管的外套管表面，在正極集流芯兩端設(shè)有正極集流導(dǎo)線；所述反應(yīng)罐為帶有上下兩個(gè)端面的容器，其上端面開有正極進(jìn)液ロ，下端面開有正極出液ロ，在反應(yīng)罐的四周側(cè)壁上開有孔洞，用來(lái)將負(fù)極集流芯、鋰負(fù)極、鏤空套管、多孔隔膜和正極集流芯構(gòu)成的組裝結(jié)構(gòu)固定在反應(yīng)罐中。2.如權(quán)利要求1所述的鋰液流電池反應(yīng)器，其特征在于，所述負(fù)極集流芯直徑為2-50mm,材料為不銹鋼、銅合金、導(dǎo)電石墨或表面鍍鋰的金屬材料。3.如權(quán)利要求1所述的鋰液流電池反應(yīng)器，其特征在于，卷繞在負(fù)極集流芯外表面的鋰負(fù)極為ー層或多層結(jié)構(gòu)，每層的厚度為0.05-0.5mm。4.如權(quán)利要求1所述的鋰液流電池反應(yīng)器，其特征在于，所述鏤空套管的內(nèi)套管和外套管上的孔隙相同或不同；所述鏤空套管的材料為電子不導(dǎo)電的非金屬材料。5.如權(quán)利要求1所述的鋰液流電池反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔隔膜的材料為電子不導(dǎo)電的聚合物材料，或者為電子不導(dǎo)電的微孔無(wú)機(jī)非金屬材料，或者為電子不導(dǎo)電的聚合物基體、液體有機(jī)增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料，或者為鋰快離子導(dǎo)體粉體和/或陶瓷顆粒與膠粘劑混合制作而成的復(fù)合材料。6.如權(quán)利要求1所述的鋰 液流電池反應(yīng)器，其特征在于，所述正極集流芯與多孔隔膜的距離小于5mm ;所述正極集流芯的材料為不銹鋼、鋁合金或?qū)щ娛?.如權(quán)利要求1所述的鋰液流電池反應(yīng)器，其特征在于，在反應(yīng)罐側(cè)壁的相對(duì)位置開有成對(duì)的孔洞，孔洞直徑與負(fù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳永翀，張艷萍，馮彩梅，韓立，張萍，王秋平，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京好風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)有限公司， 中國(guó)科學(xué)院電工研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11