一种新型锂离子液流电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化学储能电池领域，特别涉及锂离子液流电池。
【背景技术】
[0002]锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学电池技术，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、能量密度大，成本较低的新型可充电池。锂离子液流电池在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、市政交通等方面具有非常广阔的市场前景。
[0003]锂离子液流电池由正极悬浮液池、负极悬浮液池、电池反应器、液泵或气压控制系统及密封管道组成。其中，正极悬浮液池盛放正极材料颗粒、导电剂和电解液的混合物，负极悬浮液池盛放负极材料颗粒、导电剂和电解液的混合物。锂离子液流电池反应器的结构包括:正极集流层、正极反应腔、正极进液口、正极出液口、隔离层、负极集流层、负极反应腔、负极进液口和负极出液口。正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正极反应腔，完成反应后由正极出液口流出，在液泵推动或气压控制系统作用下通过密封管道返回正极悬浮液池；与此同时，负极悬浮液由负极进液口进入电池反应器的负极反应腔，完成反应后由负极出液口流出，在液泵推动或气压控制系统作用下通过密封管道返回负极悬浮液池。
[0004]电池反应腔是锂离子液流电池反应器的重要组成部分，电极悬浮液在电池反应腔内间歇或连续流动，完成电池的充放电反应。锂离子液流电池反应器的正极反应腔与负极反应腔之间设置有电子不导电的隔离层，将正极悬浮液中的导电颗粒(正极活性材料颗粒和导电剂颗粒)和负极悬浮液中的导电颗粒(负极活性材料颗粒和导电剂颗粒)相互隔开，避免导电颗粒直接接触导致电池内部的短路。
[0005]与全钒液流电池的电解液相比，锂离子液流电池的电极悬浮液更加黏稠，流动相对困难，因此对于电池反应器的反应腔设计要求很高，反应腔若过于窄小将不利于电极悬浮液的流动。之前，锂离子液流电池反应器结构的一般设计是，若干个隔离层等距平行排列，隔离层之间的空间交替构成正极反应腔和负极反应腔，正极集流层位于正极反应腔的中间，正极悬浮液在正极集流层与隔膜之间的间隙空间连续或间歇流动；负极集流层位于负极反应腔的中间，负极悬浮液在负极集流层与隔膜之间的间隙空间连续或间歇流动，如图1所示。也就是说，集流层与隔离层之间的间隙空间形成了电池的电化学反应腔，当电池工作时，正极悬浮液(16)在正极反应腔内(14)的正极集流层(11)与隔离层(13)之间的间隙空间连续或间歇流动，电子在正极悬浮液(16)与正极集流层(11)之间传递；类似的，负极悬浮液(17)在负极反应腔(15)内的负极集流层(12)与隔离层(13)之间的间隙空间连续或间歇流动，电子在负极悬浮液(17)与负极集流层(12)之间传递；正极反应腔内的正极悬浮液(16)和负极反应腔内的负极悬浮液(17)通过隔离层(13)进行锂离子交换传输。
[0006]上述设计存在的问题是，从电极悬浮液流动性的角度考虑，集流层与隔离层的间距越大(即反应腔的空间越大)越有利于黏稠电极悬浮液的流动，若间距太小会使电极悬浮液流动困难；但是，从极化内阻的角度考虑，集流层与隔离层的间距越小(即反应腔的空间越小)则越有利于减小集流内阻，若间距太大，会增加电极悬浮液中电子和离子的导电距离，使电池内阻增大，充放电转换效率降低。因此，上述相互制约的因素使得反应腔的大小不能灵活设计，影响了锂离子液流电池的性能发挥。
【发明内容】
[0007]为解决上述矛盾问题，本发明提供一种新型锂离子液流电池，该锂离子液流电池改变了集流层的结构和放置位置，将正极集流层和负极集流层分别放置在隔离层的两侧并与隔离层紧密接触，构成夹心复合结构层，相邻夹心复合结构层之间的间隙形成了电池反应腔。这样的结构设计使得电池反应腔的大小可以根据电极悬浮液的粘度灵活调节而不增加电池的极化内阻。本发明解决了现有锂离子液流电池在电池反应腔大小和电池极化内阻之间存在的制约矛盾。
[0008]本发明的目的是通过下述方式实现的:
[0009]一种新型锂离子液流电池，包括正极集流层、负极集流层、正极反应腔、负极反应腔、隔离层、正极悬浮液和负极悬浮液，其中，正极悬浮液在正极反应腔内连续或间歇流动，负极悬浮液在负极反应腔内连续或间歇流动，构成正极反应腔的集流层为正极集流层，构成负极反应腔的集流层为负极集流层；其特征在于:所述正极集流层和负极集流层分别位于所述隔离层的两侧且与隔离层紧密接触，构成正极集流层、隔离层与负极集流层的夹心复合结构层，所述若干个夹心复合结构层按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，其中相邻两个正极集流层与正极集流层之间的间距大于零，它们之间的空隙构成正极反应腔，正极悬浮液在正极反应腔内连续或间歇流动；相邻两个负极集流层与负极集流层之间的间距也大于零，它们之间的空隙构成负极反应腔，负极悬浮液在负极反应腔内连续或间歇流动。
[0010]根据本发明，所述相邻的两个夹心复合结构层间距为0.1?10mm，优选为0.5?5mm ο
[0011]与现有锂离子液流电池相比，新型锂离子液流电池的电极悬浮液在同性集流层之间的间隙流动，而不是在隔离层与集流层之间的间隙流动，因此电池极化内阻与反应腔的大小基本无关，我们可以根据电极悬浮液的粘度灵活设计反应腔的空间大小而不影响电池的内阻性能。因此，本发明解决了现有锂离子液流电池在反应腔大小和电池极化内阻之间存在的制约矛盾。
[0012]根据本发明，所述正极集流层和/或负极集流层是厚度为0.01?1000 μ m的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1nm?2mm。
[0013]所述多孔电子导电层为导电填料与粘结剂的多孔混合物，其中，导电填料的质量分数不小于70%;所述导电填料是钛粉、铜粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、富锂锡粉类金属合金导电颗粒，或者，所述导电填料是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或几种；所述粘结剂为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃、聚乙炔、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚对苯撑乙烯及其衍生物、聚对苯及其衍生物、聚芴及其衍生物中的一种或几种。
[0014]或者，所述多孔电子导电层为具有通孔结构的金属导电层。所述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、菱形或长方形；或者，所述金属导电层为具有通孔结构的多孔泡沫金属层；或者，所述金属导电层为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，网孔为圆形、椭圆形、半圆形、方形、六角形、三角形、菱形、梯形或不规格多边形。所述多孔金属板或金属箔用于正极集流层时为铝、合金铝、不锈钢、银、锡、镍或钛，优选为铝；所述多孔金属板或金属箔用于负极集流层时为铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜或镀银铜，优选为镀镍铜。进一步地，所述金属板或金属箔的表面涂覆有导电碳材料涂层。
[0015]或者，所述多孔电子导电层为涤纶多孔丝导电布、碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布中的一种或几种；或者，所述多孔电子导电层为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。
[0016]或者，所述正极集流层和/或负极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，其中，导电填料的质量分数不小于10%;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。
[0017]或者，所述正极集流层和/或负极集流层为上述几种集流层中的任意两种或几种复合组成的集流层。
[0018]所述隔离层由电子绝缘材料构成，厚度为0.01?1mm。
[0019]所述隔离层位于正极集流层和负极集流层之间，并与正极集流层和负极集流层紧密接触，构成所述夹心复合结构层。隔离层的作用是防止位于隔离层两侧的正极集流层和负极集流层直接接触而导致电池内部短路，同时，隔离层允许锂离子通过。所述隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙