一种磁性铁基混合液流电池的制作方法

本技术属于液流电池，尤其是涉及一种磁性铁基混合液流电池。

背景技术：

1、随着风、光伏发电等新能源并网装机规模越来越大，为克服风、光伏发电的间歇性、波动性，与之配套的储能装置需求大增。国家能源局就将新型储能定义为“除抽水蓄能外以输出电力为主要形式，并对外提供服务的储能项目”；相比于传统的抽水蓄能，新型储能技术一般来说建设周期短、选址灵活、调节能力强等优势。

2、电化学储能是新型储能的主力军，其中液流电池技术由于采用水系电解质，循环次数高且使用寿命长，因而受到广泛的重视。液流电池是一种大规模高效电化学储能技术。一般来说，液流电池具有长寿命、放电深度高、水系电解质的安全性高的优点，但能量密度不高。因固定式储能系统对能量密度要求不高，功率和容量设计互相独立，易于模块组合和电池结构的放置；因此液流电池适用于大规模蓄电储能。

3、常规的液流电池由正负极电解液及其它电池组件构成，电池内部正负极电解液由质子交换膜分隔，利用大量的电解液储存在电池外部的容器中，电池使用时，将电解液泵入到电池内部，参与电池的氧化还原反应，液流电池技术在近半个世纪取得了长足的进步，形成了一系列技术路线和示范性产品，代表体系有全钒、铁铬、锌溴、锌镍、锌铁、锌空、全铁液流电池技术。到目前为止，全钒液流电池是目前商业化程度最高和技术成熟度最强的液流电池技术路线，但是全钒液流电池技术仍然受制于钒的产能和成本限制。为此，铁铬液流电池也受到广泛研究和重视，但是一些如负极的析氢问题，降低了电池的能量效率；正负极电解液的互串交叉污染等问题会降低电池容量和效率，限制了进一步发展。锌溴、锌镍、锌铁、锌空等采用金属锌的液流电池技术主要面临着产生锌枝晶等难以克服的问题，限制了该技术的发展。

4、目前，全铁液流电池的商业化公司为北美的ess公司，其经过一段时间的探索，将全铁液流电池的应用规模从百kw·h级向mw·h级发展，技术成熟度和市场认可度越来越高。

5、ess公司的实用新型专利cn110301060b公开了用于铁液流电池的电解质，可以在负极上电镀延性fe，并且可以保持铁氧化还原液流电池的性能、可靠性和效率。此外，铁可以被更快速地产生并被电镀到电镀电极上，从而实现全铁液流电池的较高的充电速率，但是仍然存在一些不足之处，如：在某些极端的充电条件下，如低温或高充电电流(由于充电速率快，铁在负极快速产生)，铁镀层可能会被施加应力且可能开裂并从负极剥落，因此较高的电镀应力会使负极劣化，降低氧化还原液流电池单元的容量和效率。

6、实用新型专利cn109728314b公开了一种外加磁场的磁性颗粒附着电极的液流电池结构及方法，液流电池外部设有磁场加载装置，该磁场加载装置产生的磁场穿透液流电池的正负电极；正负电极上均附着有用于增大电极比表面积的磁性纳米颗粒，且正负电极上磁性纳米颗粒的附着面朝向相同，使磁性纳米颗粒在磁场力作用下紧贴于电极表面。本实用新型主要是通过纳米磁性颗粒附着电极，在外加磁场的作用下使磁性颗粒以磁场力而非范德华力的方式附着在电极表面，能保证纳米颗粒附着的均匀性和稳定性，在长时间的充放电循环过程中能保持高电化学活性和高比表面积，在稳定提高液流电池的电压效率方面具有一定优势，但该技术采用四氧化三铁磁性颗粒，存在能量转换效率低的问题，且磁感线穿过液流电池离子交换膜，容易造成短路现象发生。

7、专利申请cn113178607a一种磁场与温度协同作用提高的液流电池传输性能的方法及液流电池，所述液流电池中，磁场发生器设置在负极电极与正极电极的两侧，为所述液流电池提供磁场；加热器为所述液流电池提供适当的温度环境。将低共熔溶剂电解液液流电池置于磁场中，同时使其处于15～65℃的温度环境，调节低共熔溶剂电解液的电化学物理特性，增大液流电池电解液中离子的扩散系数，有效解决现有的低共熔溶剂电解液存在因其粘度高，传质阻力大而致使电池功率密度低的问题；进而提高电池的能量效率及功率密度，但该技术所采用的有机低共熔剂(乙二醇、丙二醇、尿素与氯化胆碱等)存在粘度较高、容易被氧化分解、循环稳定性差等问题，限制了其实际应用。

技术实现思路

1、本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有循环充放电，使用寿命长，生产成本低和原材料产量高的磁性铁基混合液流电池。

2、本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种磁性铁基混合液流电池，包括电池外壳、正极、负极、离子交换膜、正极电解液储罐、负极电解液储罐，其中正极和负极安装在电池外壳内，通过离子交换膜把电池的正极和负极及其正、负极电解液分隔开来，其特征在于，所述的负极包括磁体、铁粉、负极集流体和负极电解液，其中铁粉为负极活性材料，铁粉吸附在磁体上，磁体置于负极集流体内，使磁体的磁感线穿过负极集流体。

3、进一步地，所述的磁体为u型磁铁，多个u型磁铁置于负极集流体内，用来吸附负极铁粉材料，以实现磁体的磁感线穿过负极集流体但不穿过质子交换膜或电池正极结构，以防止在充放电铁粉随着电解液的流动而从电池负极脱落，并避免铁粉连通正负极结构而产生短路现象。

4、进一步地优选地，所述的磁体采用一排并列的u形磁体，且各u形磁体顶部与离子交换膜之间的距离大于u形磁体磁极间的距离，使得该磁体的磁感线穿过负极集流体，但在质子交换膜或电池正极结构的位置磁感强度显著降低。

5、进一步地，所述的负极集流体的材质为不锈钢，包覆所述的u形磁体。具体地，所述的负极集流体结构呈无盖槽状，长度与多个u型磁铁并排长度匹配，高度与单个u型磁铁高度相同。

6、进一步地，所述的正极、负极水平放置，且负极位于正极下方，利用重力和磁感的协同作用，避免负极活性材料从负极结构中脱落。

7、进一步地，液流电池可以采用正负极电解液独立循环的一般液流电池结构，即所述的正极电解液储罐通过独立循环管道连接正极的电解液进出口；

8、所述的负极电解液储罐通过独立循环管道连接负极的电解液进出口；

9、循环管道上设置循环泵。

10、进一步地，液流电池也可以通过连接正负极电解液的绝缘循环泵循环结构，实现了正负极电解液的循环利用，与一般液流电池的正负极电解液独立循环的结构相比，提高了电解液的利用效率；具体结构优选：

11、所述的正极电解液储罐通过正极电解液导通管与正极相连通；

12、负极电解液储罐通过负极电解液导通管与负极相连通；

13、正极和负极通过管道连通，并在管道上设置绝缘循环泵；

14、正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过压力平衡导管连接。

15、进一步地，所述的绝缘循环泵选用由绝缘材料制成的容积型泵，即电解液的输送是不连续流体，防止在电池的正负极间形成导电回路，造成电池能量损失。

16、进一步地，电解液采用含有亚铁离子和铁离子的电解液，铁离子浓度0～5mol/l，亚铁离子浓度0～5mol/l,且亚铁离子和铁离子浓度合计不低于0.1mol/l。通过监测充放电过程中电极电位或者另设选择性离子浓度传感器，并且通过改变循环泵的流速与负载功率进行匹配控制。

17、用于电解液输送的泵(包括循环泵和绝缘循环泵)可以调节电解液流向，以实现充放电过程中电解液在电池正、负极之间的正向和反向流通。

18、用于输送电解液的泵为一台以上，以连接多个液流电池正负极结构，实现充放电过程中不同电解液浓度形成的不同电压的梯次利用，以提高能量转换效率。

19、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

20、1.本实用新型采用具有磁性的电池负极结构，由磁体、铁粉、负极集流体和负极电解液组成，磁体的磁感线穿过负极集流体但不穿过质子交换膜或电池正极结构；并水平放置，通过重力和磁感应作用将负极活性材料铁粉吸附在负极集流体上，从而避免了负极活性材料脱落。

21、2.本实用新型磁感线穿过负极集流体，并保持与电池的质子交换膜距离大于u形磁体磁极间的距离；本实用新型采用的活性物质为铁粉，铁粉具体良好的导电性，同时可以在磁感作用下吸附在负极表面，降低活性材料脱落风险。

22、3.本实用新型提出了一种新型液流电池结构，改变了传统液流电池正负极电解液独立循环的限制，实现了电解液在正负极间循环利用，进而提高了电解液利用效率，降低了液流电池的成本。

23、3.本实用新型磁性铁基混合液流电池具有循环充放电，使用寿命长，生产成本低和原材料产量高等特点，在大规模高效电化学储能技术领域，具有广泛的应用价值；还具备较低的活性物质和电解液成本，较高的能量存储转换效率等优点，该项大规模高效电化学储能可广泛应用于电网及相关储能领域。