[发明专利]一种锂液流电池反应器及电极悬浮液嵌锂合成方法

说明书

技术领域

本发明属于化学储能电池技术，具体涉及一种锂液流电池反应器及利用该电池反应器对电极悬浮液电化学嵌锂合成的方法。

背景技术

锂离子液流电池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、电解液环保无毒的新型化学储能技术。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(或者其他动力系统)及密封管道组成。其中，正极悬浮液池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，负极悬浮液池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。锂离子液流电池工作时，电极悬浮液在液泵(或其他动力)的推动下通过密封管道在电极悬浮液池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(或者动力大小)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，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，完成反应后由负极出液口通过密封管道返回负极储液罐。在正极反应腔与负极反应腔之间有电子不导电的多孔隔膜，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。正极反应腔内的正极悬浮液和负极反应腔内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜中的电解液进行锂离子交换传输。

由于电池在首次充放电过程中形成的SEI膜会消耗部分不可逆容量，以及电池放电末端时阳极中的锂离子滞留在内部而不能形成有效的容量，此时，正极悬浮液和/或负极悬浮液会因为嵌锂不足或者循环一段时间后呈缺锂状态导致电池容量下降，循环寿命降低，阻碍了锂离子液流电池的后续使用。因此，需要采取合适的方式对电极悬浮液中的电极活性材料进行补锂，或者，直接制备具有较高电容量的稳定相富锂电极材料或亚稳相含锂合金电极材料。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种锂液流电池反应器，同时，该电池反应器可以作为电极悬浮液嵌锂装置为锂离子液流电池的电极悬浮液嵌锂以达到补锂的效果，或者，直接制备具有较高电容量的稳定相富锂电极材料或亚稳相含锂合金电极材料，从而提高电池的循环寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种锂液流电池反应器，包括反应罐、正极集流芯、负极集流芯、锂负极、镂空套管和多孔隔膜；其中：所述负极集流芯为实心棒状或空心管状，在负极集流芯的两端设有负极集流导线；所述锂负极为箔状或带状，卷绕在负极集流芯的外表面；所述镂空套管包括镂空的内套管和外套管，所述锂负极和负极集流芯置于镂空套管的内套管内；所述多孔隔膜固定于镂空套管的内套管和外套管之间；所述正极集流芯缠绕在镂空套管的外套管表面，在正极集流芯两端设有正极集流导线；所述反应罐为带有上下两个端面的容器，其上端面开有正极进液口，下端面开有正极出液口，在反应罐的四周侧壁上开有孔洞，用来将负极集流芯、锂负极、镂空套管、多孔隔膜和正极集流芯构成的组装结构固定在反应罐中。

上述锂液流电池反应器中，所述负极集流芯为实心棒状或空心管状，直径一般为2-50mm，在负极集流芯的两端设有直径为0.5-20mm的负极集流导线，用于集流。负极集流芯材料选用不锈钢、铜合金、导电石墨，或者表面镀锂的金属材料中的一种。

在负极集流芯的外侧卷绕一层或多层锂负极，所述锂负极为箔状或带状，每层锂负极的厚度以0.05-0.5mm为宜。

上述锂液流电池反应器中，所述镂空套管的孔隙可以为相互连通的孔隙，包括：蛇形孔、矩形孔等；也可以为互不连通的孔隙，包括：点阵孔、条纹孔等；内套管和外套管上的孔隙可以相同或不同。镂空套管的材料为电子不导电的非金属材料，例如聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其他电子不导电的非金属材料。

上述锂液流电池反应器中，所述多孔隔膜的材料采用聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等电子不导电的聚合物材料中的一种；或者采用玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸等电子不导电的微孔无机非金属材料中的一种；或者，多孔隔膜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；或者，采用锂快离子导体粉体和/或陶瓷颗粒与胶粘剂混合制作而成的复合材料。

上述锂液流电池反应器中，所述正极集流芯缠绕在所述镂空套管外套管的表面，缠绕节距以0.5-5mm为宜，正极集流芯与多孔隔膜的距离优选小于5mm。在正极集流芯两端设有直径为2-20mm的正极集流导线。所述正极集流芯材料选用不锈钢、铝合金和导电石墨中的一种。