[发明专利]一种外加磁场的磁性颗粒附着电极的液流电池结构及方法

说明书

本发明公开了一种外加磁场的磁性颗粒附着电极的液流电池结构及方法，属于新能源储能领域。液流电池外部设有磁场加载装置，该磁场加载装置产生的磁场穿透液流电池的正负电极；正负电极上均附着有用于增大电极比表面积的磁性纳米颗粒，且正负电极上磁性纳米颗粒的附着面朝向相同，使磁性纳米颗粒在磁场力作用下紧贴于电极表面。本发明主要是通过纳米磁性颗粒附着电极，在外加磁场的作用下使磁性颗粒以磁场力而非范德华力的方式附着在电极表面，能保证纳米颗粒附着的均匀性和稳定性，在长时间的充放电循环过程中能保持高电化学活性和高比表面积，在稳定提高液流电池的电压效率方面具有一定优势。

技术领域

本发明属于新能源储能领域，具体涉及一种外加磁场的磁性颗粒附着电极的液流电池结构及方法。

背景技术

太阳能、风能等可再生能源在发电过程中，由于受到季节更替等环境因素影响，导致可再生能源发电输出与用电需求不同步。因此需要在电网中配置相应的储能设备来调节能源的供需矛盾，实现削峰填谷并提高电力品质。作为目前最适合应用于可再生能源领域的大规模储能技术之一，液流电池不仅具有充放电容量高，功率与容量相互独立，易于规模化建设的优点，还可满足安全性与灵活性的需求，在储能技术中具有一定的优势。

液流电池系统由电堆、电解液储罐、循环泵等设备组成，其中电堆由数节单电池按压滤机的方式叠合组装。与一般固态电池不同的是，液流电池的正极和负极电解液储存于电池外部的储罐中，通过泵和管路输送到电池内部，在电堆中通过正负极电解液活性物质发生可逆氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化。自20世纪70年代以来，先后出现了不同类型的液流电池。根据电解液活性物质的不同主要分为全钒、铁铬、锌溴液流电池等，其中全钒液流电池是目前发展最成熟的液流电池。

对于液流电池而言，电压效率是评价电池性能的一个关键指标。对电极(石墨毡或碳纸)进行预处理的方式可有效提高电极的电化学性能，因此，有学者通过对电极材料进行热处理、酸碱处理或纳米颗粒附着的方式，增大电极的比表面积并强化电极材料的电化学性能，从而有效降低活化及浓差极化损失。在不同电流密度下，电池的电压效率及电解液利用率都有较大幅度的提升。

在电极预处理方式中，通过纳米颗粒附着的方式能有效提高电极表面的有效反应面积，改善电极的电化学活性，能有效降低活化及浓差过电势，部分纳米颗粒还可以起到催化电化学反应进行的作用。相关技术人员做了深入研究，出现了以下技术：

申请号为CN201810301382.X的发明专利公开了一种全钒液流电池用电极的制备方法。以碳毡为原料，通过在碳毡表面进行微刻蚀，并进一步通过碳纳米管修饰基地电极，可得到高比表面积、高电化学活性的电极，具有良好的耐腐蚀性和耐强氧化性，不易发生钝化。

申请号为CN201710449392.3的发明专利公开了一种应用于全钒液流电池的修饰电极及其制备方法。该修饰电极基体材料为碳纸或碳毡，采用掺锑的二氧化锡纳米颗粒附着在碳纸或者碳毡纤维表面。可增加电极的反应比表面积，制备方法便捷，能解决全钒液流电池正极活性不足以及析氧副反应的问题。

Blasi等人针对全钒液流电池采用Mn₃O₄纳米颗粒附着石墨毡的方式来降低活化和浓差极化损失，在80mA/cm²的电流密度下使电压效率从原始石墨毡的75％提高到了86％，而Wei等人则针对全钒液流电池采用铜纳米颗粒附着石墨毡，有效增加了电极的反应活性，在300mA/cm²的电流密度下还能保持80％左右的电压效率。也使得电解液利用率有较明显幅度的提升。

然而，尽管通过纳米颗粒附着的电极预处理方式能带来较高的电化学活性，但在液流电池的运用中通常具有一个不可避免的问题。在电解液流速较高的场景下，附着的纳米颗粒会随着电解液逐渐脱离电极，在长时间的充放电循环中会逐渐失去作用，导致循环稳定性较差。

发明内容