[发明专利]全铁液流电池、单电池、电堆和电解液

说明书

本申请公开了一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液。该全铁液流单电池包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；负极包括堆叠的多个电极材料，多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，孔道与隔膜之间的夹角大于0°且小于180°；负极发生反应产生的反应物质沉积在孔道内表面；电极材料包括以下至少一种：铁、碳。还公开了相应的全铁液流电堆、电池和电解液。采用本申请的方案，负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性。

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液。

背景技术

液流电池是双碳目标下新型电力系统的支撑技术之一，也是新能源高渗透率落地的支撑技术之一。液流电池具有“高安全、大规模、长时长、长寿命、弹性配置”等独特优势。当前主要的液流电池技术路线包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等，其中全钒液流电池技术最为成熟，处于产业化应用前期。当前液流电池的主要挑战是成本高，主要是由于物料清单(bill of materials，BOM)成本高，其中电解液占总成本的40％-50％，电堆占20％左右。开发低成本液流电池是该技术路线大规模产业化的关键。

全铁液流电池是最具备成本优势的电化学储能技术路线之一，同时在初始投资成本上也具优势。国外在全铁液流电池技术领域起步早，率先实现示范应用，我国相关研究处于小试和中试阶段。当前主要技术瓶颈在于负极动力学缓慢、产生枝晶，导致电堆功率密度低、容量低和效率低。开发新型电解液、高性能电堆和电池储能系统是影响当前产业发展的关键技术和主要技术发展方向。

发明内容

本申请提供一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液，以防止负极发生反应产生的枝晶刺破隔膜，提高电池的可靠性。

第一方面，提供了一种全铁液流单电池，包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；所述负极包括堆叠的多个电极材料，所述多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，所述孔道与所述隔膜之间的夹角大于0°且小于180°；所述负极发生反应产生的反应物质沉积在所述孔道内表面；所述电极材料包括以下至少一种：铁、碳。

在该方面中，负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性。

在一种可能的实现中，所述孔道与所述隔膜之间的夹角为90°。

在该实现中，在负极发生反应、进行电池充电时，二价铁离子Fe²⁺转化为单质铁Fe，单质铁沉积在电极孔道内表面。随着反应的进行，沉积的单质铁的量逐渐增加，并均匀附着在负极的孔道表面，若局部因为液体流动、电流分布不匀等因素导致单质铁分布不均匀，或者局部富集，富集起来的单质铁形成枝晶，因为孔道的取向作用，枝晶会沿着垂直孔内壁的方向生长，这样产生的枝晶被控制在电极孔内，生长方向也得到有效控制，不会产生垂直隔膜方向、生长尺寸较大的、可能刺入隔膜的枝晶。该电极很好发挥抑制和控制枝晶，保护隔膜的作用。同时做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能。

在另一种可能的实现中，所述负极与所述隔膜之间还包括惰性层，所述惰性层具有多孔结构；所述惰性层用于阻隔所述负极脱落的沉积物到达所述隔膜，以及所述惰性层还用于传递电解液。

在该实现中，负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层，可以进一步隔绝电极与隔膜，增加二者之间的间隙。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，消除潜在的电极固态物质对隔膜的物理损伤，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命。