[发明专利]一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池

说明书

一种气相逆流的无隔膜金属‑含氧气体液流电池，装置为无隔膜设计，分为液流电池主体和储罐两个部分，电池和储罐设有只需一个循环泵驱动的电解液循环。液流电池主体为液相循环外塔和液相循环内塔的套筒式结构，外塔和内塔分别设有正极和负极，电解液由内塔进入外塔，空气由气相入口进入外塔与内塔之间，均匀分散到电解液中，与正极表面的空气电极催化剂、电解液离子发生氧化还原反应，反应后残余的含有空气的电解液进入到储罐中进行再生，再生后的电解液经循环泵鼓入液相循环内塔，完成一个工作循环。该液流电池为无隔膜、气相逆流、单循环泵设计，适用温度范围广，无隔膜老化带来的危险，同时降低了使用能耗，提高电池工作效率。

技术领域

本发明涉及金属-空气液流电池领域，特别是一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。

背景技术

随着科学技术的发展，对能源的需求也越来越高，对高能量密度电池的需求逐渐增大，因此燃料电池，金属-空气(氧气)电池，液流电池等发展速度也随之加快。金属-空气(氧气)电池，由于其电极材料简单：负极为金属，正极材料为空气(氧气)，能量密度高：以锂-空气电池为例，其理论能量密度为11400Wh/kg，的特点，引起了人们的广泛研究。液流电池由于其原理简单:通过氧化还原电对的电子迁移获得能量；其容量可根据电解液体积，浓度及液流速度进行调控，由于其液体循环流动，所以充放电循环性能好等特点，在三十余年的研究中迅速发展。

金属-空气(氧气)液流电池作为液流电池中的沉积型储能电池(CN101714680)同时具有金属-空气(氧气)电池和液流电池两种特点：其负极材料使用金属单质(锂，钠，镁，铝，锌等)，正极使用空气(氧气)作为反应物，在空气电极催化剂与电解液的界面进行反应：以有机电解液体系锂空气电池为例，放电时，负极金属锂失去电子变成锂离子进入电解液中，正极空气(氧气)在空气电极界面上发生氧还原反应，与锂离子结合生成过氧化锂；充电时，空气电极上的过氧化锂发生分解，生成锂离子和氧气，同时负极表面上的锂离子得电子，沉积在负极表面变成锂单质。

现有的金属-空气液流电池，如专利(CN102013536、CN102625960)中都使用了隔膜，用来进行离子交换和保护金属负极，然而由于隔膜的使用又限制了电池的工作条件：例如在燃料电池中，使用的质子交换膜由于工作温度不高于120℃，大大限制了电池的效率。并且在使用过程中，隔膜的老化也会使得电池短路，进而引发爆炸，使得电池的安全性大打折扣。而且在电解液的循环流动中能量利用率不高，需要两个循环泵各自带动正、负极电解液流动，且结构复杂，投资高，能耗大，电池运行成本高，经济效益差。

为了克服以上缺点，本发明提出了一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。

发明内容

全文中出现空气(氧气)表示空气或氧气，纯氧气也可以，空气也可以，包括人工合成的空气例如仅仅包括氧气和氮气，经过过滤装置处理后的空气。

本发明的目的在于解决金属-空气(氧气)液流电池隔膜的工作温度限制、老化问题以及电池电解液流动过程中的高能耗问题，因此发明了一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。首先，该装置应用一个循环泵，实现电解液在正负极之间的循环流动，减低了电解液循环流动中所需能耗；其次，在电池使用中无需隔膜，解决了金属空气(氧气)液流电池的工作温度限制以及老化问题；再次，空气气泡与反应催化剂作为正极，与电解液逆向流动，充分接触，形成了气相逆流，降低了扩散控速环节，使得高倍率放电成为了可能；最后，通过在电解液储罐中通入惰性气体的方式，除去电解液中的溶解氧，实现了电解液的循环与再生。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。该装置包括：气相出口(1)、液相循环(2)、液相循环内塔(3)、液相循环外塔(4)、负极(5)、正极(6)、气相循环(7)、气相入口(8)、储罐气相进口(9)、储罐(10)、储罐气相(11)、液相出口(12)、液相进口(13)、循环泵(14)、储罐气相出口(15)。