阅读说明：本技术 一种水系锌离子液流电池 (Water-based zinc ion flow battery ) 是由 魏春光 王静霞 梁燕 黄德水 李柯 于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种水系锌离子液流电池,包括电池槽主体、储液罐、循环泵,储液罐中的液体通过循环泵经管道流入电池槽主体,然后经过管道流回储液罐中实现流动循环,电池槽主体设置有正电极板和负电极板,电池槽主体底部设置有沉淀板和可闭合排泄口,沉淀产物沉积后通过沉淀板堆积到排泄口后排出。本发明采用简单巧妙的结构设计,将电池充放电过程中产生的副产物、脱落物在沉积板上充分汇集并及时排出电池体系外,保证电解液循环过程中维持清澈、稳定的状态,同时保证正、负电极发生反应的活性位点不受沉淀物的影响,从而提高水系锌离子液流电池的倍率性能和循环寿命,具有高效节能、安全环保、成本低廉等优点,有利于市场化应用。(The invention discloses a water system zinc ion flow battery, which comprises a battery jar main body, a liquid storage tank and a circulating pump, wherein liquid in the liquid storage tank flows into the battery jar main body through the circulating pump through a pipeline, then flows back into the liquid storage tank through the pipeline to realize flowing circulation, the battery jar main body is provided with a positive electrode plate and a negative electrode plate, the bottom of the battery jar main body is provided with a precipitation plate and a closable discharge port, and precipitated products are deposited and then are accumulated to the discharge port through the precipitation plate and then are discharged. The invention adopts simple and ingenious structural design, fully collects byproducts and fallen matters generated in the battery charging and discharging process on the deposition plate and timely discharges the byproducts and the fallen matters out of a battery system, ensures that a clear and stable state is maintained in the electrolyte circulating process, and simultaneously ensures that active sites of positive and negative electrodes which react are not influenced by the sediments, thereby improving the rate performance and the cycle life of the water system zinc ion flow battery, having the advantages of high efficiency, energy conservation, safety, environmental protection, low cost and the like, and being beneficial to marketization application.)

一种水系锌离子液流电池

技术领域

本发明属于锌离子电池技术领域，尤其涉及一种水系锌离子液流电池。

背景技术

液流电池是世界上规模最大的储能电池之一，由于设计灵活、全寿命成本最低、能适合各种储能场合，因此竞争力很强，应用前景非常广阔，是可再生能源利用和智能电网发展的必备技术之一。当今加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源已刻不容缓，开发高效的规模储能技术意义非常重大。

根据储能机理的不同，液流电池大致可分为全液相双液流电池和沉积型单液流电池两类。较为成熟的全液相双液流电池为全钒液流电池，但钒价上涨，又需采用昂贵的离子交换膜，给其推广应用增加了难度。沉积型单液流电池体系，是指在充(放)电过程中至少有一个电对的充(放)电产物沉积在(或原本在)电极上，有效避免了全液相双液流电池的溶液交叉污染、水转移和使用昂贵膜材料等问题，但现有的沉积型单液流电池，如锌镍单液流电池(CN200610109424.7)正极采用镍电极，成本较高；PbO₂-Cu(Cd)单液流电池(CN200810104996.5)含有毒元素，存在环境污染隐患。

中国发明专利（CN 101540417）公开了一种锌离子电池，它以二氧化锰为正极活性材料，以锌为负极，以含有锌离子的水溶液为电解液，组成可充电锌离子电池。这种可充电锌离子电池可使用数百次，同时具有高功率密度和高能量密度。然而，这种可充电锌离子电池，一方面，随着电化学过程的进行，电解液中的水慢慢被分解成氢气和氧气挥发，电解液的量慢慢减少，使电池性能下降。另一方面，电池在循环过程中容易形成锌枝晶和碱式硫酸锌沉淀(Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O)等副产物。坚硬的锌枝晶会大大增加电池短路的风险，而非活性的碱式硫酸锌沉淀会沉积于隔膜上。随着副产物的不断沉积，隔膜体积的不断膨胀，也进一步增加电池短路的风险；此外，隔膜的孔隙率显著减少，电化学反应中物质传输受阻，反应速率减慢，从而使二次锌离子电池的容量下降，循环性能变差。

中国发明专利（CN201510621596.1）公开了一种水系锌锰单液流电池及其制备方法，将正、负电极的活性物质以可溶性盐的形式储存流动电解液中，且无需离子交换膜分隔，同时，正极氧化态活性物质和负极还原态活性物质也可部分附着在正、负极集流体上，利用电解液的流动加快了离子的传质扩散，有效抑制了锌负极的枝晶刺破隔膜造成短路的风险，从而改善电池正、负电极的性能。但是电解液的流动也使体系中的副反应加剧，副产物如碱式硫酸锌沉淀的不断产生，加上反应过程中电极材料部分脱落，将导致电解液浑浊、电池容量衰减以及在底部大量沉积后连接正、负电极导致电池短路等问题。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种水系锌离子液流电池，综合了锌锰离子二次电池和液流电池的优点，并采用简单巧妙的结构设计，将电池充放电过程中产生的副产物、脱落物在沉积板上充分汇集并及时排出电池体系外，避免碱式硫酸锌沉淀等副产物不断产生带来的不良效应，保证电解液循环过程中维持清澈、稳定的状态，同时保证正、负电极发生反应的活性位点不受沉淀物的影响，从而提高水系锌离子液流电池的倍率性能和循环寿命，具有高效节能、安全环保、成本低廉等优点，有利于市场化应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水系锌离子液流电池，包括电池槽主体、储液罐、循环泵，所述储液罐中的液体通过所述循环泵经管道流入所述电池槽主体，然后经过所述管道流回所述储液罐中实现流动循环，所述电池槽主体设置有正电极板和负电极板，其特征在于：所述电池槽主体底部设置有沉淀板和可闭合排泄口，沉淀产物沉积后通过所述沉淀板堆积到所述排泄口后排出。

优选的，所述沉淀板与所述电池槽主体内侧壁夹角角度为5°～95°。

优选的，所述正电极板和所述负电极板相对设置且均高于所述沉淀板最高点，所述负电极板到所述沉淀板的距离大于等于所述正电极板到所述沉淀板的距离。

优选的，所述沉淀板顶部上端还设有导流板，所述导流板底部与所述沉淀板平行。

优选的，所述沉淀板表面为光滑疏水材质。

优选的，所述电池槽主体底部还设置有节流装置，所述节流装置包括节流板和滑轨。

优选的，所述节流板的长度总和大于等于节流板节流所需距离。

优选的，所述电池槽主体还设置有可调节出液阀。

优选的，所述正电极板的活性物质为锰氧化合物、金属复合氧化物、金属氧化物或碳材料中的一种或几种。

优选的，所述负电极板的活性物质为采用以锌元素或碳元素为主的活性物质，所述以锌元素为主的活性物质为锌粉、锌箔、锌片的一种，所述以碳元素为主的活性物质为石墨烯、碳纳米管、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球中的一种或几种。

优选的，所述储液罐中的液体包括电解液、PH调节剂、耐温调节剂、缓蚀添加剂、表面活性剂的一种或几种。

与现有技术相比，本发明的优点至少包括：

1. 本发明采用简单巧妙的结构设计，将水系锌离子液流电池充放电过程中产生的副产物、脱落物在沉积板上汇集并及时排出电池体系外，避免碱式硫酸锌沉淀等副产物不断产生带来的不良效应，保证电解液循环过程中维持清澈、稳定的状态，同时保证正、负电极发生反应的活性位点不受副反应产物的影响，以离子形态存在的活性物质能够充分反应，从而显著提升水系锌离子液流电池的电化学性能。

2. 本发明通过设置沉淀板与电池槽主体内侧壁夹角角度，可以调节沉淀板的倾斜角度，从而调节副产物、脱落物等受重力作用的堆积速度和沉淀区域的面积大小，灵活性大，可按需设计。

3. 本发明通过设置底部与沉淀板平行的导流板，使液体在进行水系锌离子液流电池体系中的流动循环的同时，利用液体往下流动的自然冲击力对沉淀板上端斜面部分的沉淀物进行冲洗，使其进一步往排泄口移动和堆积。通过边循环边清洗的作用，以及结合沉淀板具有光滑疏水表面的优点，可使沉淀物充分汇集和排出，进一步保证了沉淀物排出程度，从而提高水系锌离子液流电池的倍率性能和循环寿命。

4. 本发明通过设置正电极板和负电极板的位置，不仅均高于沉淀板最高点，且负电极板到沉淀板的距离大于正电极板到所述沉淀板的距离，因为沉淀产物如碱式硫酸锌沉淀(Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O)等，主要由负电极板产生和脱落，这样设置不仅为沉淀产物提供更大的沉淀空间，也延长了副产物、脱落物等连接正电极板和负电极板的距离，避免了电池短路的风险。

5. 本发明通过设置节流装置，通过滑轨中的节流板滑动进行打开和关闭，打开时节流版液体在电池槽主体内循环流动，当需要打开排泄口排出沉淀物时，可以将节流版关闭，截断节流板上下端的液体通路，既保证了节流板上端液体的正常循环流动，也减少了打开排泄口时液体的流出损失，同时也方便按需对排泄口附近进行冲洗清洁，充分体现了精细化工、节能环保的可持续发展理念。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

，对本发明及其有益技术效果进行详细说明。

图1是本发明实施例1结构示意图。

图2是本发明实施例2结构示意图。

图3为本发明中实施例1水系锌离子液流电池的充放电曲线。

图4为本发明中实施例1水系锌离子液流电池的库伦效率曲线。

图5为本发明实施例2水系锌离子液流电池的循环曲线。

图6为本发明实施例2水系锌离子液流电池的容量保持率曲线。

附图标记名称：1、电池槽主体 ；2、储液罐 ；3、循环泵； 4、管道 5、正电极板；6、负电极板； 7、沉淀板 ；8、排泄口；9、节流装置；91、节流板；92、滑轨；10、导流板；11、出液阀。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

如图1所示，一种水系锌离子液流电池，包括电池槽主体1、储液罐2、循环泵3，所述储液罐2中的液体通过所述循环泵3经管道4流入所述电池槽主体1，然后经过所述管道4流回所述储液罐2中实现流动循环，所述电池槽主体1设置有正电极板5和负电极板6，所述电池槽主体1底部设置有沉淀板7和可闭合排泄口8，沉淀产物沉积后通过所述沉淀板7堆积到所述排泄口8后排出。

优选的，所述沉淀板7与所述电池槽主体1内侧壁夹角角度为60°。

优选的，所述正电极板5和所述负电极板6相对设置且均高于所述沉淀板7最高点，所述负电极板6到所述沉淀板7的距离大于所述正电极板5到所述沉淀板7的距离。

优选的，所述沉淀板7顶部上端还设有导流板10，所述导流板10底部与所述沉淀板7平行。

优选的，所述沉淀板7表面为光滑疏水材质。

优选的，所述电池槽主体1底部还设置有节流装置9，所述节流装置9包括节流板91和滑轨92。

优选的，所述节流板91的长度大于节流板节流所需距离。

优选的，所述电池槽主体1还设置有可调节出液阀11。

优选的，所述正电极板5的活性物质为锰氧化合物，所述负电极板6的活性物质为锌箔，所述储液罐2中的液体为硫酸锌和硫酸锰混合水溶液电解液、PH调节剂和耐温调节剂。

对实施例1水系锌离子液流电池进行测试。如图3所示，电池的开路电压约为1.2V，以2.0的电压进行恒压充电，以2mA/cm²的电流密度进行放电，截止电压为0.2V，首圈放电比容量约为3.1mAh/cm²，第100圈放电比容量约3.9mAh/cm²；如图4所示，电池的平均库伦效率大于90%。

实施例2

如图2所示，一种水系锌离子液流电池，包括电池槽主体1、储液罐2、循环泵3，所述储液罐2中的液体通过所述循环泵3经管道4流入所述电池槽主体1，然后经过所述管道4流回所述储液罐2中实现流动循环，所述电池槽主体1设置有正电极板5和负电极板6，所述电池槽主体1底部设置有两个沉淀板7和可闭合排泄口8，沉淀产物沉积后通过所述沉淀板7堆积到所述排泄口8后排出。

优选的，所述沉淀板7与所述电池槽主体1内侧壁夹角角度为45°。

优选的，所述正电极板5和所述负电极板6相对设置且均高于所述沉淀板7最高点，所述负电极板6到所述沉淀板7的距离等于所述正电极板5到所述沉淀板7的距离。

优选的，所述沉淀板7顶部上端还设有导流板10，所述导流板10底部与所述沉淀板7平行。

优选的，所述沉淀板7表面为光滑疏水材质。

优选的，所述电池槽主体1底部还设置有节流装置9，所述节流装置9包括节流板91和滑轨92。

优选的，所述节流板91的长度总和大于节流板节流所需距离。

优选的，所述电池槽主体1还设置有可调节出液阀11。

优选的，所述正电极板5的活性物质为锰氧化合物和人造石墨混合物，所述负电极板6的活性物质为锌合金，所述储液罐2中的液体为硫酸锌和硫酸锰混合水溶液电解液、PH调节剂和表面活性剂。

对实施例2水系锌离子液流电池进行测试。图5为10mA/cm²电流密度下，电池的500圈循环曲线；如图6电池的容量保持率曲线所示，电池容量保持率大于80%。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。