一种锂离子液流电池反应器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学储能电池领域，尤其涉及一种锂离子液流电池反应器。
【背景技术】
[0002] 锂离子液流电池是最新发展起来的一种电化学电池技术，它综合了锂离子电池和 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。它不仅可以作为太阳能、风能发电系统的配套储能设备，还可以作为电网的调峰装 置，提高输电质量，保障电网安全。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，具有重大社会经济价值。
[0003] 之前的锂离子液流电池反应器中，电极悬浮液进入反应器和流出反应器需要经过 密封盖板，如中国专利CN103094599A;或者在电池模块四周设置转向罩以便电极悬浮液 流入电极反应腔，如中国专利CN102931427A;或者在电池反应器周边采用进液腔和出液 腔，如中国专利201410210138. 4。
[0004] 总的来说，之前的锂离子液流电池反应器都是通过分流腔将电极悬浮液输入分配 到多个电池反应腔内，每个电池反应腔设置有多个平行的导流道，电极悬浮液流过平行的 导流道，再通过汇流腔汇流后输出。这种使用分流腔将电极悬浮液分配到多个电池反应腔 内反应后再通过汇流腔汇流，往往会导致各电池反应腔内的电极悬浮液的流量不一致，容 易造成电池反应器内各电池单元的过充或过放，恶化电池性能。
【发明内容】
[0005] 为解决锂离子液流电池存在的上述问题，本发明提供一种锂离子液流电池反应 器，该电池反应器通过给每个电池反应腔设置一个进液口和一个出液口，使得电极悬浮液 不用通过上述分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，从而有效地提高电池单元之间的 一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
[0006] 本发明采用以下技术方案：
[0007] 本发明提供一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流 体；双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极 集流层组成，双极性隔膜按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的 正极集流层之间的间隙空间构成正极反应腔，相邻两个相对的负极集流层之间的间隙空间 构成负极反应腔；在正极反应腔内放置有正极导流体，负极反应腔内放置有负极导流体，正 极导流体与负极导流体之间放置有双极性隔膜，若干个双极性隔膜、正极导流体和负极导 流体依次上下叠加构成电池单元组，其特征在于 ：
[0008] 所述正极导流体为在中空"回"形框内设有一个具有两个端口的连续正极导流道 组成的，所述负极导流体为在中空"回"形框内设有一个具有两个端口的连续负极导流道组 成的；正极导流体边框设置有一个正极进液口和一个正极出液口，负极导流体边框设置有 一个负极进液口和一个负极出液口，正极进液口与正极出液口分别连接正极导流道的两个 端口，负极进液口与负极出液口分别连接负极导流道的两个端口，优选的，正极进液口与正 极出液口呈对角分布，负极进液口与负极出液口呈对角分布；所述正极导流道是在中空边 框内设置若干根正极流道脊形成的，负极导流道是在中空边框内设置若干根负极流道脊形 成的，正极导流道和负极导流道均呈单通道"S"形、多通道"S"形中的一种；所述正极流道 脊和负极流道脊的上下表面都与双极性隔膜通过粘接剂粘接固定。
[0009]根据本发明，电池反应器相邻正极反应腔的正极进液口相互之间并联连接，相邻 正极反应腔的正极出液口相互之间并联连接，相邻负极反应腔的负极进液口相互之间并联 连接，相邻负极反应腔的负极出液口相互之间并联连接；或者，相邻正极反应腔的正极进液 口与正极出液口相互之间串联连接，相邻负极反应腔的负极进液口与负极出液口相互之间 串联连接；或者，相邻正极反应腔的正极进液口和/或正极出液口相互之间串并联混合连 接，相邻负极反应腔的负极进液口和/或负极出液口相互之间串并联混合连接。
[0010] 所述导流体为在中空"回"形框内设有一个连续的导流道组成的，导流道是在中空 边框内设置若干根流道脊形成的。边框材料为电子绝缘材料，优选为聚丙烯、聚乙烯、聚四 氟乙烯中的一种或几种，在回形边框设有一个进液口和一个出液口，优选的，进液口与出液 口呈对角分布。所述导流道呈单通道"S"形、多通道"S"形中的一种。所述的导流道连通 导流体的进液口和出液口。
[0011] 根据本发明，所述流道脊为导体材料，导电性能好；或者，流道脊为非导体材料，导 流体的回形边框与流道脊通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起，或者 一体化加工制作。
[0012] 本发明中，电池反应器内相邻正极导流体的流道脊和负极导流体的流道脊相互垂 直，或者相互平行，且相互平行时，正极流道脊和负极流道脊之间部分重叠或者全部重叠。
[0013] 进一步，正极导流体与负极导流体之间放置有双极性隔膜，双极性隔膜与正极流 道脊和负极流道脊之间通过绝缘粘接剂、导电粘接剂等方式紧密接触。
[0014] 所述正极流道脊位于正极反应腔能够耐氧化反应，材料为铝、合金铝、不锈钢、银、 锡或钛中的一种或几种，优选为铝；所述负极流道脊位于负极反应腔能够耐还原反应，材料 为铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜中的一种或几种，优选为镀镍不锈钢；
[0015] 或者，所述正极流道脊和负极流道脊为有机纤维材料表面包覆电子导电膜；所述 有机纤维材料包括涤纶聚脂纤维、尼龙纤维、天然棉麻、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟 乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物；所述电子导电膜为导电碳材料涂层、金属涂层或 碳纤维导电布、金属导电布、有机纤维与导电纤维混编的导电布、镀有金属薄膜的导电布中 的一种或几种；
[0016] 或者，所述正极和/或负极流道脊为耐电解液腐蚀的电子不导电的绝缘体，材料 包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等其中一种或多种。
[0017] 所述正极反应腔高度为1mm~20mm，正极流道脊厚度与正极反应腔的高度一致， 其宽度为〇. 5mm~10_，正极流道脊间距为2mm-100mm。
[0018] 所述负极反应腔高度为0. 5mm~15_，负极流道脊厚度与负极反应腔高度一致， 其宽度为〇. 5mm~10_，负极流道脊间距为2mm-100mm。
[0019] 所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极 集流层和负极集流层组成。其中，隔离层为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自 由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为 0. 005mm~1mm。正极集流层和负极集流层都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子 混合导电层，其厚度都为〇.01μm~1000μm，优选为具有通孔结构的电子导电层，其通孔 孔隙率为30%~99%，孔径范围10nm~2mm。正极集流层和负极集流层放置于隔离层的两 侦L并与隔离层紧密接触，绝缘边框通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定等方式 与正极集流层、隔离层和负极集流层的边缘复合在一起。
[0020] 进一步，所述的隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔 聚合物材料；或者，隔离层为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不 导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层的材料采用电子不导 电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料。 进一步，所述的电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔 材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料。
[0021] 进一步，所述的正极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛 粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或 几种，导电填料的质量分数不小于70%。或者，所述正极集流层为具有多孔结构的金属导 电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱 形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为 多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈 钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，所述正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混 合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材 料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好 的有机物。或者，所述正极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电 解质层为聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材 料。或者，所述正极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
[0022] 进一步，所述的负极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛 粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤 维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70%。或者，所述负极 集流层为具有