[发明专利]一种用于沉积型液流电池负极的梯度电极及应用

说明书

本发明涉及储能技术中的液流电池技术领域，特别是涉及一种用于沉积型液流电池负极的梯度电极及应用。梯度电极的孔隙率及/或沉积位点数目沿垂直于电极表面的方向梯度变化，通过使电极在靠隔膜侧具有高孔隙率和低沉积位点数目，在靠双极板侧具有低孔隙率和高沉积位点数目，促进了沉积型液流电池在充电过程中活性物质向双极板侧均匀沉积，抑制了枝晶的生长，提高了电池的充电容量和循环稳定性。上述电极可应用于以锌、铁、铜、锡、镉或铅作为活性物质的沉积型液流电池。应用于锌碘液流电池时，负极侧单位面积可沉积锌的容量高达280mAh/cm²，是采用传统电极的6倍。

技术领域

本发明涉及储能技术中的液流电池技术领域，特别是涉及一种用于沉积型液流电池负极的梯度电极及应用。

背景技术

开发利用可再生能源是解决能源短缺、环境污染问题的一大重要举措，也是我国能源战略的重要组成部分。近年来，以风能和太阳能为代表的可再生能源得到了大力发展，但目前在世界范围内仍面临着严重的弃风弃光等问题。造成该问题的原因在于可再生能源往往具有间歇性、波动性、时变性强等特点，其产生的电直接并网使用会对电网的安全稳定运行造成极大的冲击。为了解决这个问题，开发高效、稳定、低成本的大规模储电系统成为了一种有效途径。在现有的储电技术中，液流电池因其具有容量和功率相互独立、可扩展性好、安全性高、循环寿命长、响应时间短等优势，在大规模储能领域受到了广泛关注。全钒液流电池是目前受关注最多的液流电池体系，但由于钒盐的价格昂贵，全钒液流电池的商业化发展受到了极大的限制。相比于全钒液流电池，沉积型液流电池(如：锌溴液流电池、锌碘液流电池、全铁液流电池等)由于其活性物质价格低廉、动力学好、能量密度高的优点，近年来受到了越来越多的关注。在沉积型液流电池的充电过程中，负极侧活性物质沉积于负极电极中；在放电过程中，沉积的活性物质溶解于电解液。因此，沉积型液流电池的负极不仅提供电化学反应的发生场所和物质传输通道，也提供了活性物质的存储空间。但是，由于在液流电池中电子的传输速度远高于离子的传输速度，在充电过程中活性物质倾向于沉积于电极的靠隔膜侧，造成了电池电极利用率低、充电容量低等问题。更为严重的是，活性物质在靠隔膜侧的大量聚集增大了负极侧枝晶生成的可能性。枝晶的生长会刺穿隔膜，加剧活性物质的穿梭效应，加快电池容量的衰减，极大地影响了电池的循环寿命和安全性。因此，合理设计沉积型液流电池的负极对其发展至关重要。

目前，沉积型液流电池中对负极侧的研究较少。为了解决沉积型液流电池负极侧活性物质不均匀沉积所造成的枝晶问题，传统沉积型液流电池主要通过以下两种途径。一是，控制所沉积的活性物质的总量，但该方法在缓解枝晶问题的同时限制了电池容量。二是，在负极电极与隔膜之间留出一定的空间用来沉积活性物质并提供枝晶生长空间，降低枝晶刺穿隔膜的可能性。但是该方法会增加电池中离子传输路径，提高电池的欧姆损失，限制了电池性能的提高。

因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种用于沉积型液流电池负极的梯度电极及应用，来促进活性物质在充电过程中的均匀沉积，从而提高电池的容量和循环稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种用于沉积型液流电池负极的梯度电极，梯度电极的孔隙率及/或沉积位点数目沿垂直于电极表面的方向梯度变化，并应用于沉积型液流电池的负极来促进活性物质在充电过程中的均匀沉积。

所述的用于沉积型液流电池负极的梯度电极，梯度电极的梯度包括连续梯度及/或步进梯度。

所述的用于沉积型液流电池负极的梯度电极，梯度电极的孔隙率在电极高孔隙率侧为90～99％，孔隙率在电极低孔隙率侧为30～80％。

所述的用于沉积型液流电池负极的梯度电极，梯度电极的沉积位点数目在电极高沉积位点数目侧占总原子数目比为1～60％，沉积位点数目在电极低沉积位点数目侧占总原子数目比为0～0.9％。