[发明专利]一种无泵锂离子液流电池及其电极悬浮液的配置方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无泵锂离子液流电池，属于化学储能电池领域。

背景技术

电能的广泛应用被认为是二十世纪人类最伟大的成就之一。电力工业成为国家最重要的基础产业之一。现代电力系统正在向大电网、大机组的方向发展，新能源电网的发展也进入了一个新的阶段。低成本、具有可扩展性的能源存储是改善电网效率和继续发展可再生能源科技（风能、太阳能）的关键。电化学储能由于具有能量密度高、简单可靠等优点，在电能应用中占有举足轻重的地位。

锂离子液流电池是一种新型的储能电池，它结合了锂离子电池和液流电池各自的优点，是一种储能容量与功率彼此独立、寿命长、绿色环保的新型化学储能技术。目前设计的锂离子液流电池由正极储液罐、负极储液罐、电池反应器、液泵及密封管道组成。其中，正极储液罐盛放正极复合材料颗粒（如磷酸铁锂复合材料颗粒）和电解液的混合物，负极储液罐盛放负极复合材料颗粒（如钛酸锂复合材料颗粒）和电解液的混合物。参考图1所示，锂离子液流电池工作时，电极悬浮液在液泵（4）的推动下通过密封管道在储液罐和电池反应器之间流动，流速可根据电极悬浮液浓度和环境温度进行调节。其中，正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正极反应腔（1），完成反应后由正极出液口通过密封管道返回正极储液罐。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（2），完成反应后由负极出液口通过密封管道返回负极储液罐。在正极反应腔（1）与负极反应腔（2）之间有电子不导电的多孔隔膜（3），将正极悬浮液中的正极活性材料颗粒和负极悬浮液中的负极活性材料颗粒相互隔开，避免正负极活性材料颗粒直接接触而导致电池内部的短路。正极反应腔（1）内的正极悬浮液和负极反应腔（2）内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜（3）中的电解液进行锂离子交换传输。

虽然锂离子液流电池在大规模储能应用中拥有诸多的优势，但是，由于电极悬浮液的粘度很大，使用液泵（4）对电极悬浮液进行循环时会产生较大的机械损耗，严重降低电池的能量效率。液泵还容易导致电极悬浮液的泄露或与大气中的水氧气体接触，造成安全隐患。此外，由于锂离子液流电池的电极悬浮液具有电子导电性，因此目前尚无完整的电池串并联系统，如何设计大容量高电压的锂离子液流电池是目前急需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种无泵锂离子液流电池，所述无泵锂离子液流电池利用重力和气体压力对电极悬浮液进行循环，避免使用液泵，大大减少了电池循环系统的机械损耗和安全隐患，提高了电池效率和安全使用性能。同时，通过阀门的巧妙设计与控制，有效地解决了电池串联中的短路难题。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种无泵锂离子液流电池，如图2所示，包括：若干个电池子系统、正极配液罐（27）、负极配液罐（32）、正极集液罐（30）、负极集液罐（35）、正极运输罐（31）和负极运输罐（36）。上述正极配液罐（27）和负极配液罐（32）位于若干个电池子系统的上方，正极配液罐（27）的出液口（11）与各电池子系统的正极进液口（12）通过管道连接，管道上设有正极配液阀（28）；负极配液罐（32）的出液口（11）与各电池子系统的负极进液口（13）通过管道连接，管道上设有负极配液阀（33）。上述正极集液罐（30）和负极集液罐（35）位于电池子系统的下方，正极集液罐（30）的进液口（10）与各电池子系统的正极出液口（14）通过管道连接，管道上设有正极集液阀（29）；负极集液罐（35）的进液口（10）与各电池子系统的负极出液口（15）通过管道连接，管道上设有负极集液阀（34）。其中正极配液罐（27）、正极进液罐（16）、正极出液罐（20）、正极集液罐（30）中装有正极悬浮液和惰性气体，负极配液罐（32）、负极进液罐（21）、负极出液罐（24）、负极集液罐（35）中装有负极悬浮液和惰性气体，上述正极运输罐（31）可借助机械装置进行上下往复运动，用于正极集液罐（30）和正极配液罐（27）之间的正极悬浮液运输；负极运输罐（36）也可通过机械方式进行提升和下降，用于负极集液罐（35）和负极配液罐（32）之间的负极悬浮液运输。上述若干个电池子系统之间的电路组合方式为串联，在锂离子液流电池正常工作时，至多只有一个电池子系统与正极配液罐（27）、正极集液罐（30）、负极配液罐（32）或负极集液罐（35）连通。