一种锌溴液流电池电极框结构及包含其的液流电池的制作方法

本实用新型涉及一种电极框结构及用其组装的锌溴液流电池。

背景技术：

锌溴液流电池相比全钒液流电池具有高能量密度、低成本的优点。锌溴液流储能电池理论开路电压1.80V左右，理论能量密度430Wh/kg。锌溴液流电池正负极由隔膜分开，两侧电解质溶液均为ZnBr₂溶液。在动力泵的作用下，电解质溶液在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。正负极电极对之间的电势差是发生反应的动力，锌溴液流电池的电极反应为：

正极：

负极：

锌溴液流电池的研究始于20世纪70年代末80年代初。锌溴液流电池在美国发展较快，美国ZBB公司2008年已向潜在客户提供50kWh与500kWh等多种商业化模块进行应用示范，并将锌溴液流储能电池定位于电动车电源、风能太阳能储能电池、应急电源等领域。

尽管如此，锌溴液流电池要达到产业化应用仍存在着许多问题和挑战需要进一步解决。

电池正极溴单质环境友好性问题。电池正极的溴环境污染及渗透是制约锌溴液流电池实用化及产业化的关键问题。电池充电时产生的溴单质无法在放电阶段完全变成溴离子，一方面造成后续循环的电池库伦效率下降，一方面容易导致正极溴单质浓度过高，渗透到环境中造成污染。为减少这样的自放电和环境污染，已有的解决方法是：1)、在电解质溶液中加入溴单质络合剂，降低游离态的溴单质浓度。常用的溴单质络合剂主要为溴化水溶性有机化合物，通过络合剂络合溴单质独立成相的特点，降低电解质溶液中游离态溴单质含量，解决溴单质渗透问题；2)、通过开发廉价的阻溴隔膜，在保证离子导电的基础上，调控阻溴隔膜厚度及孔径分布以实现正、负极电解质溶液的隔离，减少溴的渗透。

但是实际上，目前应对溴单质的渗透及腐蚀问题仍然没有更好地办法。因此，在电池组组装时，需要使用PP、PE等材质的密封垫用以阻止溴单质向外泄漏。而且，相比全钒液流电池，溴单质的密封难度更大，因为其呈现气体挥发的形式，所以很容易通过多孔隔膜内部横向渗透至外部。

技术实现要素：

本实用新型，针对锌溴液流电池正极溴单质的密封难题，提出了利用PP、PE隔膜自身的伸缩性能，在电极框上设置有环形凹槽，摆脱传统的隔膜、密封垫、电极框三者依次接触的形式，改为将隔膜直接放入带有环形凹槽的电极框的环形凹槽中，通过调整环形凹槽深度与隔膜的厚度，在后续的紧装配中，实现密封效果。该实用新型一方面减少了正极密封垫，降低了成本。更为重要的是，将隔膜完全密封在电极框中，与传统的隔膜截面暴露在外部环境中不同，彻底杜绝了溴单质通过隔膜截面渗透的问题。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种电极框结构，电极框为中部带有通孔的平板状结构，通孔所在的中部镂空区域作为容置电极的空腔，电极框平板一侧表面的四周边缘设置有环状密封凹槽，于电极框一侧表面通孔的四周边缘向远离通孔的方向开设有环形凹槽。

环形凹槽处于密封凹槽与平板中部通孔之间；环形凹槽的深度小于隔膜厚度。

电池包括顺序层叠的正极端板、正极集流板、本实用新型所述电极框、正极、隔膜、负极、环状密封垫、负极电极框、负极集流板、负极端板。

所述电极框中环形凹槽于平板平面至环形凹槽底面的深度为80-90％的隔膜厚度。

所述的隔膜为PP或PE材质的多孔或致密隔膜。

所述的隔膜为长方形，其长和宽的大小尺寸小于或等于长方形环形凹槽的长宽尺寸，大于长方形通孔长宽尺寸。

所述的隔膜厚度为100-1000μm。

环形密封垫可采用耐酸的橡胶片或采用耐酸的橡胶线。

电极采用石墨毡或者碳毡，或也可以采用碳纸；集流板为金属或碳材质板材；电极框体材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或者ABS；所述端板材质可为铝或不锈钢等刚度较大的金属材质或者电木板或塑料板。

附图说明

图1、带有环形凹槽的电极框正视图；1-环形凹槽；2-密封凹槽；3-通孔

图2、带有环形凹槽的电极框与电极、密封垫的组装示意图；

其中1-负极碳毡；2-正极碳毡；3-隔膜；4-密封垫；5-带有环形凹槽的正极电极框；6-负极电极框

图3、传统电极框正视图；

图4、传统的电极框与密封垫、电极、密封垫的组装示意图。

其中:1-负极碳毡；2-正极碳毡；3-隔膜；4-密封垫；5-密封垫；6-正极电极框；7-负极电极框

具体实施例

实施例1

以本实用新型提出的电极框(图1、2所示)组装的电堆为例，其由10节单电池组装而成，每节电池之间采用双极板进行电路连接，电极面积875cm²，采用500μm PP多孔膜，环形凹槽深度450μm。电解液为2.0mol/L溴化锌，充放电电流密度为40mA/cm²，充电时间为1h；正极电解液与负极电解液的体积均为20L。

电池组库伦效率97％，电压效率84％，能量效率81％。库仑单圈衰减速率0.001％。

对比例

采用图3、4所示的的电极框，采用与实施例相同材料组装相同结构的电堆，其由10节单电池组装而成，每节电池之间采用双极板进行电路连接，电极面积875cm²，采用500μmPP多孔膜，，电解液为2.0mol/L溴化锌，充放电电流密度为40mA/cm²，充电时间为1h；正极电解液与负极电解液的体积均为20L。

电池组库伦效率95％，电压效率82％，能量效率78％。库仑单圈衰减速率0.01％。

从电池性能中可以看出，本实用新型的电极框及组装的电池组具有更高的库伦效率。更为重要的是由于本专利实用新型的电极框阻止了溴单质通过隔膜向外渗透，保证了电池组的库伦效率保持稳定，基本不衰减相比传统电极框组装的电池组。