CN105449251B - 一种锂离子液流电池反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体，导流体为在中空“回”形框内设有一个连续的导流道组成的，导流体边框设置有一个进液口和正极出液口，每个导流体上的进液口和出液口通过导流体内的导流道连通；该电池反应器通过给每个电池反应腔设置一个进液口和一个出液口，进、出液口采用并联模式、或者串联模式、或者串并联混合模式，实现锂离子液流电池反应器均匀一致的分流和汇流，取消了分流腔和汇流腔，从而有效地提高电池单元之间的一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
Description
技术领域
本发明属于化学储能电池领域，尤其涉及一种锂离子液流电池反应器。
背景技术
锂离子液流电池是最新发展起来的一种电化学电池技术，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，且能量密度大、成本较低的新型二次电池。它不仅可以作为太阳能、风能发电***的配套储能设备，还可以作为电网的调峰装置，提高输电质量，保障电网安全。利用化学电源进行蓄电储能，可以不受地理条件限制，有望实现大规模储能，具有重大社会经济价值。
之前的锂离子液流电池反应器中，电极悬浮液进入反应器和流出反应器需要经过密封盖板，如中国专利CN 103094599A；或者在电池模块四周设置转向罩以便电极悬浮液流入电极反应腔，如中国专利CN 102931427A；或者在电池反应器周边采用进液腔和出液腔，如中国专利201410210138.4。
总的来说，之前的锂离子液流电池反应器都是通过分流腔将电极悬浮液输入分配到多个电池反应腔内，每个电池反应腔设置有多个平行的导流道，电极悬浮液流过平行的导流道，再通过汇流腔汇流后输出。这种使用分流腔将电极悬浮液分配到多个电池反应腔内反应后再通过汇流腔汇流，往往会导致各电池反应腔内的电极悬浮液的流量不一致，容易造成电池反应器内各电池单元的过充或过放，恶化电池性能。
发明内容
为解决锂离子液流电池存在的上述问题，本发明提供一种锂离子液流电池反应器，该电池反应器通过给每个电池反应腔设置一个进液口和一个出液口，使得电极悬浮液不用通过上述分流腔和汇流腔而直接进入电极反应腔内，从而有效地提高电池单元之间的一致性，改善电池性能，大大简化了反应器结构。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体；双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，双极性隔膜按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层之间的间隙空间构成正极反应腔，相邻两个相对的负极集流层之间的间隙空间构成负极反应腔；在正极反应腔内放置有正极导流体，负极反应腔内放置有负极导流体，正极导流体与负极导流体之间放置有双极性隔膜，若干个双极性隔膜、正极导流体和负极导流体依次上下叠加构成电池单元组，其特征在于：
所述正极导流体为在中空“回”形框内设有一个具有两个端口的连续正极导流道组成的，所述负极导流体为在中空“回”形框内设有一个具有两个端口的连续负极导流道组成的；正极导流体边框设置有一个正极进液口和一个正极出液口，负极导流体边框设置有一个负极进液口和一个负极出液口，正极进液口与正极出液口分别连接正极导流道的两个端口，负极进液口与负极出液口分别连接负极导流道的两个端口，优选的，正极进液口与正极出液口呈对角分布，负极进液口与负极出液口呈对角分布；所述正极导流道是在中空边框内设置若干根正极流道脊形成的，负极导流道是在中空边框内设置若干根负极流道脊形成的，正极导流道和负极导流道均呈单通道“S”形、多通道“S”形中的一种；所述正极流道脊和负极流道脊的上下表面都与双极性隔膜通过粘接剂粘接固定。
根据本发明，电池反应器相邻正极反应腔的正极进液口相互之间并联连接，相邻正极反应腔的正极出液口相互之间并联连接，相邻负极反应腔的负极进液口相互之间并联连接，相邻负极反应腔的负极出液口相互之间并联连接；或者，相邻正极反应腔的正极进液口与正极出液口相互之间串联连接，相邻负极反应腔的负极进液口与负极出液口相互之间串联连接；或者，相邻正极反应腔的正极进液口和/或正极出液口相互之间串并联混合连接，相邻负极反应腔的负极进液口和/或负极出液口相互之间串并联混合连接。
所述导流体为在中空“回”形框内设有一个连续的导流道组成的，导流道是在中空边框内设置若干根流道脊形成的。边框材料为电子绝缘材料，优选为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种，在回形边框设有一个进液口和一个出液口，优选的，进液口与出液口呈对角分布。所述导流道呈单通道“S”形、多通道“S”形中的一种。所述的导流道连通导流体的进液口和出液口。
根据本发明，所述流道脊为导体材料，导电性能好；或者，流道脊为非导体材料，导流体的回形边框与流道脊通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起，或者一体化加工制作。
本发明中，电池反应器内相邻正极导流体的流道脊和负极导流体的流道脊相互垂直，或者相互平行，且相互平行时，正极流道脊和负极流道脊之间部分重叠或者全部重叠。
进一步，正极导流体与负极导流体之间放置有双极性隔膜，双极性隔膜与正极流道脊和负极流道脊之间通过绝缘粘接剂、导电粘接剂等方式紧密接触。
所述正极流道脊位于正极反应腔能够耐氧化反应，材料为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛中的一种或几种，优选为铝；所述负极流道脊位于负极反应腔能够耐还原反应，材料为铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜中的一种或几种，优选为镀镍不锈钢；
或者，所述正极流道脊和负极流道脊为有机纤维材料表面包覆电子导电膜；所述有机纤维材料包括涤纶聚脂纤维、尼龙纤维、天然棉麻、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；所述电子导电膜为导电碳材料涂层、金属涂层或碳纤维导电布、金属导电布、有机纤维与导电纤维混编的导电布、镀有金属薄膜的导电布中的一种或几种；
或者，所述正极和/或负极流道脊为耐电解液腐蚀的电子不导电的绝缘体，材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等其中一种或多种。
所述正极反应腔高度为1mm～20mm，正极流道脊厚度与正极反应腔的高度一致，其宽度为0.5mm～10mm，正极流道脊间距为2mm-100mm。
所述负极反应腔高度为0.5mm～15mm，负极流道脊厚度与负极反应腔高度一致，其宽度为0.5mm～10mm，负极流道脊间距为2mm-100mm。
所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成。其中，隔离层为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.005mm～1mm。正极集流层和负极集流层都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度都为0.01μm～1000μm，优选为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10nm～2mm。正极集流层和负极集流层放置于隔离层的两侧，并与隔离层紧密接触，绝缘边框通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定等方式与正极集流层、隔离层和负极集流层的边缘复合在一起。
进一步，所述的隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层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。进一步，所述的电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料。
进一步，所述的正极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述正极集流层为具有多孔结构的金属导电层，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、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，所述正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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。或者，所述正极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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。或者，所述正极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
进一步，所述的负极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述负极集流层为具有多孔结构的金属导电层，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、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜，优选为镀镍铜。或者，所述负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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。或者，所述负极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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。或者，所述负极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
进一步，所述双极性隔膜的绝缘边框两面边缘设有密封圈，所述密封圈呈矩形，通过与导流体紧压，形成对电池反应腔的密封，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
正、负电极端子分别通过正、负极集流线或集流柱并联成电池反应器。电池反应器内的电池单体正极端子通过正极集流线或者正极集流柱并联连接，连接方式包括焊接、粘接、机械紧固等，正极集流线或者正极集流柱穿过正极通孔引出到电池模块的上盖板外侧；同样，电池模块内的电池单体负极端子通过负极集流线或者负极集流柱并联连接，连接方式包括通过焊接、粘接、机械紧固等，负极导流线或者负极导流柱穿过负极通孔引出到电池模块的上盖板外侧。
本发明的锂离子液流电池反应器设置气体保护装置，所述气体保护装置处于电池反应器的电池反应腔和电极悬浮液通道外侧四周边缘，使整个电池反应器处于惰性气体氛围保护中，这样能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。惰性气体包括氮气或氩气或氮氩混合气体，气压在0.1～0.5MPa之间。
或者，本发明锂离子液流电池反应器浸没在阻燃电解液、绝缘油、或者石蜡等液体保护中，所述液体能够阻隔空气中的水蒸气和氧气进入电池反应器与电极悬浮液接触，避免恶化电池的使用性能。
本发明的技术优势体现在：
1)本发明提供一种锂离子液流电池反应器，取消分流腔，通过给每个电池反应腔设置一个进液口和一个出液口，进、出液口采用并联模式、或者串联模式、或者串并混合模式，具有很好的分流和汇流效果；
2)置于集流层之间的导流体不会降低电极悬浮液流动腔室的实际高度，避免了板状结构导流体对电极悬浮液流动性带来的不利影响；
3)锂离子液流电池反应器采用气体保护或者液体保护方法，提高了电池的安全性。
附图说明
图1锂离子液流电池反应器原理图，其中，101—正极反应腔；102—负极反应腔；103—隔离层；104—正极集流层；105—负极集流层；106—正极悬浮液；107—负极悬浮液；
图2锂离子液流电池双极性隔膜结构示意图，其中，图2(a)为夹心复合结构层的组装示意图，图2(b)为夹心复合结构层整体结构示意图；201—双极性隔膜；202—绝缘边框；203—密封圈；
图3锂离子液流电池正、负极导流体结构示意图，其中，图3(a)为正极导流体结构示意图，图3(b)为负极导流体结构示意图；301a—正极导流体；302a—正极进液口；303a—正极出液口；304a—正极导流道；305a—正极流道脊；306a—正极端子；301b—负极导流体；302b—负极进液口；303b—负极出液口；304b—负极导流道；305b—负极流道脊；306b—负极端子；
图4锂离子液流电池单元组装方式的一个实施例的结构示意图，401—电池单元；
图5锂离子液流电池单元组叠加方式的一个实施例的结构示意图；501—电池单元组；
图6锂离子液流电池反应器结构示意图；601—锂离子液流电池反应器；602—上盖板；603—下盖板；604—正极集流线；605—负极集流线；606—紧固件；
图7锂离子液流电池输液口并联连接输液模式示意图；701—总进液口；702—总出液口；703—电池反应腔；704—进液口；705—出液口；
图8锂离子液流电池输液口串联连接模式示意图；
图9锂离子液流电池输液口串/并联混合连接模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，新型锂离子液流电池反应器，主要包括正极反应腔101、负极反应腔102；隔离层103、正极集流层104、负极集流层105、正极悬浮液106、负极悬浮液107。其中，隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成双极性隔膜201，其结构如图2所示。双极性隔膜201按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层104之间的间隙空间构成正极反应腔101，相邻两个相对的负极集流层105之间的间隙空间构成负极反应腔102。
在正极反应腔101内放置有正极导流体301a，负极反应腔102内放置有负极导流体301b。正、负极导流体结构如图3所示，所述导流体为在中空“回”形框内设有一个连续的导流道组成的，在回形边框设有一个进液口和一个出液口，进液口与出液口呈对角分布。在导流体内的中空处平行设置若干根流道脊从而形成一个连续的导流道，所述导流道呈单通道“S”形。导流道连通导流体的进液口和出液口。
图4为由一个正极导流体301a、一个双极性隔膜201、一个负极导流体301b组成的一个电池单元401结构图。若干个电池单元401并联连接组成的电池单元组501，如图5所示，即，若干个双极性隔膜201、正极导流体301a、负极导流体301b相互交替上下叠加构成电池单元组501。
如图6所示，锂离子液流电池反应器601由上盖板602、下盖板603、电池单元组501组成。上、下盖板分别设置有正极悬浮液和负极悬浮液的总进液口和总出液口。锂离子液流电池反应器601通过密封件密封、紧固件紧固，电池反应器内的各电池单元501的正极端子306a均通过导电线或者导电柱连接到电池反应器601的正极集流端子604上，负极端子306b均通过导电线或者导电柱连接到电池反应器601的负极集流端子605上，完成电池单元组的并联连接，组装结构图如图6所示。
如图7至图9所示，锂离子液流电池反应器601的三种连接模式。图7为锂离子液流电池进液口和出液口分别并联连接示意图，图8为锂离子液流电池进液口和出液口串联连接示意图；图9为锂离子液流电池进液口和出液口串/并联混合连接示意图；
锂离子液流电池进液口和出液口分别并联连接模式：锂离子液流电池反应器601内所有正极进液口并联连接，正极出液口并联连接，负极进液口并联连接，负极出液口并联连接，并联连接模式为各个进液口或出液口均采用等距对分或者等距多分的方式。这样，总进液口701通过等距对分方式分成若干个进液口704，电极悬浮液经进液口704流入电池反应腔703，通过出液口705流出，出液口通过等距对分方式汇流至总出液口702；
锂离子液流电池进液口和出液口串联连接模式：锂离子液流电池反应器601内相邻的正极进液口和正极出液口之间串联顺序连通，相邻的负极进液口和负极出液口之间串联顺序连通；这样，锂离子液流电池反应器601与外界接入的只剩一个正极进液口302a、一个正极出液口303a、一个负极进液口302b和一个负极出液口303b。
锂离子液流电池进液口和出液口串/并联连接模式：锂离子液流电池反应器601内至少两个电池反应腔采用串联连接，至少两个这样采用串联连接结构的电池反应腔再通过并联模式连接。
实施例一：
本实施例提供一种锂离子液流电池反应器601，包括双极性隔膜201、正极导流体301a、负极导流体301b、上盖板602、下盖板603。其中，若干个双极性隔膜201、正极导流体301a、负极导流体301b相互交替上下叠加构成电池单元组501，锂离子液流电池反应器601按照上盖板801——电池单元组601——下盖板802的方式排列，通过密封件密封，紧固件压紧组成。各电池单元501通过金属线并联连接。
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成，按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层104之间的间隙空间构成正极反应腔101，相邻两个相对的负极集流层105之间的间隙空间构成负极反应腔102；在正极反应腔101内放置有正极导流体301a，负极反应腔102内放置有负极导流体301b。所述导流体为在中空“回”形框内设有一个连续的导流道组成的，在回形边框设有一个进液口和一个出液口，进液口与出液口呈对角分布。在导流体内的中空处平行设置若干根流道脊从而形成一个连续的导流道，所述导流道呈单通道“S”形。导流道连通导流体的进液口和出液口。并且，正极导流道405a与负极导流道405b相互垂直。
双极性隔膜的绝缘边框两面边缘设有密封圈203，所述密封圈203呈矩形，通过与导流体紧压，形成对电池反应腔的密封，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
本实施例中，所述正极流道脊305a位于正极反应腔101能够耐氧化反应，材料为铝；负极流道脊305b位于负极反应腔102能够耐还原反应，材料为镀镍不锈钢；
正极反应腔101高度为10mm，正极流道脊305a高度与正极反应腔的高度一致，其宽度为2mm，正极流道脊305a间距为10mm，即正极导流道304a宽度为10mm。
所述负极反应腔102高度为6mm，负极流道脊305b高度与负极反应腔高度一致，其宽度为2mm，负极流道脊305b间距为2mm-100mm,即负极导流道304b宽度为10mm。
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成。其中隔离层103为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，本实施例使用非织造膜(无纺布)，其厚度为0.1mm。正极集流层104和负极集流层105为电解液或者凝胶电解质中的锂离子和电池内的电子均可自由通过的混合导电层，本实施例使用具有通孔结构的混合导电层，其厚度为0.1mm，通孔孔隙率为70％，孔径范围0.5mm。正极集流层104和负极集流层105放置于隔离层的两侧，并与隔离层103紧密接触，绝缘边框202通过激光焊接将正极集流层104、负极集流层105和隔离层103的边缘复合在一起。
实施例二：
本实施例中，双极性隔膜201是由隔离层103以及位于隔离层103两侧且与隔离层103紧密接触的正极集流层104和负极集流层105组成。其中，隔离层103为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.5mm。正极集流层104和负极集流层105都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度都为0.5mm。正极集流层104和负极集流层105放置于隔离层103的两侧，并与隔离层103紧密接触，绝缘边框202通过激光焊接固定方式与正极集流层104、隔离层103和负极集流层105的边缘复合在一起。
隔离层103为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层103为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层103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。电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有电解液、聚合物液体等离子导电的材料。
正极集流层104为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，正极集流层104为具有多孔结构的金属导电层，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、长方形或多边形等；或者，金属导电层104为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，正极集流层104为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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，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。或者，正极集流层104为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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。或者，正极集流层104为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
负极集流层105为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述负极集流层105为具有多孔结构的金属导电层，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、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层105为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜，优选为镀镍铜。或者，负极集流层105为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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，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。或者，负极集流层105为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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。或者，负极集流层105为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
组成双极性隔膜的隔离层103、正极集流层104和负极集流层105的材料及结构如表1所示。
表1组成双极性隔膜的隔离层、正极集流层和负极集流层的材料及结构
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例三：
本实施例中，正极流道脊305a位于正极反应腔，能够耐氧化反应，材料为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛中的一种或几种，优选为铝；负极流道脊305b位于负极反应腔，能够耐还原反应，材料为铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜中的一种或几种，优选为镀镍不锈钢；
或者，正极流道脊305a和负极流道脊305b为有机纤维材料表面包覆电子导电膜；所述有机纤维材料包括涤纶聚脂纤维、尼龙纤维、天然棉麻、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；所述电子导电膜为导电碳材料涂层、金属涂层或碳纤维导电布、金属导电布、有机纤维与导电纤维混编的导电布、镀有金属薄膜的导电布中的一种或几种；
或者，正极流道脊305a和负极流道脊305b为耐电解液腐蚀的电子不导电的绝缘体，材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等其中一种或多种。
正极流道脊305a和负极流道脊305b不同材料的选择如表2所示。
表2正极流道脊305a和负极流道脊305b不同材料的选择
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例四：
本实施例中，锂离子液流电池进液口和出液口分别采用并联连接模式：锂离子液流电池反应器601内所有正极进液口并联连接，正极出液口并联连接，负极进液口并联连接，负极出液口并联连接，并联连接方式为各个进液口或出液口均采用等距对分或者等距多分的方式。如图7所示，总进液口701通过等距对分方式分成若干个进液口704，电极悬浮液通过总进液口701分流，经进液口704流入电池反应腔703，再通过出液口705流出，出液口705通过等距对分方式汇流至总出液口702。这样，若干个电池反应腔703的进液口704和出液口705并联连接，完成电极悬浮液的并行流动。
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例五：
本实施例中，锂离子液流电池进液口和出液采用串联连接模式：锂离子液流电池反应器601内相邻的正极进液口和正极出液口之间串联顺序连通，相邻的负极进液口和负极出液口之间串联顺序连通；如图9所示，电极悬浮液通过进液口704流入电池反应腔703，然后通过出液口705流出，该处的出液口705与相邻下一层电池反应腔703的进液口连通，这样，若干个电池反应腔703的进液口704和出液口705顺序串联连接，完成电极悬浮液的串行流动。
本实施例的其它内容与实施例一相同。
实施例六：
本实施例中，锂离子液流电池采用先串联后并联的连接模式：锂离子液流电池反应器601内至少两个电池反应腔的输液模式采用串联连接，之后至少两个这样采用串联连接模式的电池反应腔再通过并联模式连接。如图9所示，3个电池反应腔703进、出液口按照实施例四的方式连接，之后四组这样的电池单元组的进、出液口按照实施例三的方式连接。
本实施例的其它内容与实施例一相同。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种锂离子液流电池反应器，包括双极性隔膜、正极导流体、负极导流体；双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，双极性隔膜按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，相邻两个相对的正极集流层之间的间隙空间构成正极反应腔，相邻两个相对的负极集流层之间的间隙空间构成负极反应腔；在正极反应腔内放置有正极导流体，负极反应腔内放置有负极导流体，双极性隔膜位于正极导流体与负极导流体之间，若干个双极性隔膜、正极导流体和负极导流体依次上下叠加构成电池单元组，其特征在于：
所述正极导流体为在中空“回”形框内设有一个具有两个端口的连续正极导流道组成的，所述负极导流体为在中空“回”形框内设有一个具有两个端口的连续负极导流道组成的；正极导流体边框设置有一个正极进液口和一个正极出液口，负极导流体边框设置有一个负极进液口和一个负极出液口，正极进液口与正极出液口分别连接正极导流道的两个端口，负极进液口与负极出液口分别连接负极导流道的两个端口；
所述正极导流道是在中空边框内设置若干根正极流道脊形成的，负极导流道是在中空边框内设置若干根负极流道脊形成的，正极导流道和负极导流道均呈单通道“S”形、多通道“S”形中的一种；所述正极流道脊和负极流道脊的上下表面都与双极性隔膜通过粘接剂粘接固定。
2.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极进液口与所述正极出液口呈对角分布，所述负极进液口与所述负极出液口呈对角分布。
3.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极导流体和负极导流体边框材料为电子绝缘材料；导流体的“回”形边框与流道脊通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起，或者边框与流道脊一体化加工制作。
4.如权利要求3所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述电子绝缘材料为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极流道脊能够耐氧化反应，材料为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛中的一种或几种；所述负极流道脊能够耐还原反应，材料为铜、不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜中的一种或几种；
或者，所述正极流道脊和负极流道脊为有机纤维材料表面包覆电子导电膜，所述有机纤维材料包括涤纶聚脂纤维、尼龙纤维、天然棉麻、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；所述电子导电膜为导电碳材料涂层、金属涂层或碳纤维导电布、金属导电布、有机纤维与导电纤维混编的导电布、镀有金属薄膜的导电布中的一种或几种；
或者，所述正极和/或负极流道脊为耐电解液腐蚀的电子不导电的绝缘体，其材料包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯中一种或者多种。
6.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述正极反应腔高度为1mm～20mm，正极流道脊高度与正极反应腔的高度一致，宽度为0.5mm～10mm，正极流道脊间距为2mm～100mm；
所述负极反应腔高度为0.5mm～15mm，负极流道脊高度与负极反应腔高度一致，宽度为0.5mm～10mm，负极流道脊间距为2mm～100mm。
7.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述双极性隔膜是由隔离层以及位于隔离层两侧且与隔离层紧密接触的正极集流层和负极集流层组成，其中：
隔离层为隔离正、负集流层并使电池内的电子不能自由穿过，而电解液或者凝胶电解质中的锂离子能够自由通过的电子绝缘层，其厚度为0.005mm～1mm，正极集流层和负极集流层都为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，厚度为0.01μm～1000μm，所述正极集流层和所述负极集流层都为具有通孔结构的电子导电层，通孔孔隙率为30％～99％，孔径范围10nm～2mm；
所述的隔离层为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它电子不导电的多孔聚合物材料；或者，隔离层为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸、或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料；或者，隔离层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，进一步，所述的电子不导电的多孔聚合物材料、无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料；
所述的正极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述正极集流层为具有多孔结构的金属导电层，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，网孔为多边形；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛；或者，所述正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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；或者，所述正极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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；或者，所述正极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体；
所述的负极集流层为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述负极集流层为具有多孔结构的金属导电层，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，网孔为多边形；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为不锈钢、镍、钛、银、锡、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜；或者，所述负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、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；或者，所述负极集流层为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，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；或者，所述负极集流层为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。
8.如权利要求1或7所述的锂离子液流电池反应器，所述双极性隔膜还设有绝缘边框，绝缘边框通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定的方式与正极集流层、隔离层和负极集流层的边缘复合在一起；
所述双极性隔膜的绝缘边框边缘设有密封圈，所述密封圈呈矩形，通过与导流体紧压，形成对电池反应腔的密封，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
9.如权利要求1所述的锂离子液流电池反应器，其特征在于：所述锂离子液流电池反应器设置气体保护装置，所述气体保护装置处于电池反应器的电池反应腔和电极悬浮液通道外侧四周边缘，整个电池反应器处于惰性气体氛围保护中，所述惰性气体包括氮气或氩气或氮氩混合气体，气压在0.1～0.5MPa之间；
或者，所述锂离子液流电池反应器浸没在阻燃电解液、绝缘油、或者石蜡的液体保护中。
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