本申请要求于 2012年 5月 10日提交中国专利局、 申请号为 201210144560.5、 发明名称为"一种无泵锂离子液流电池及其电� �悬浮液的配置方法"，以及 2012年 11 月 7 日提交中国专利局、 申请号为 201210440281.3、 发明名称为 "一种锂离子液流 电池反应器" 的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域 本发明涉及化学储能技术领域，特别涉及一种 无泵锂离子液流电池、 电池反应器 及电极悬浮液配置方法。 背景技术 电能的广泛应用被认为是二十世纪人类最伟大 的成就之一。电力工业成为国家最 重要的基础产业之一。现代电力系统正在向大 电网、 大机组的方向发展， 新能源电网 的发展也进入了一个新的阶段。低成本、具有 可扩展性的能源存储是改善电网效率和 继续发展可再生能源科技（例如风能、 太阳能） 的关键。 电化学储能由于具有能量密 度高、 简单可靠等优点， 在电能应用中占有举足轻重的地位。

锂离子液流电池是一种新型的储能电池，它结 合了锂离子电池和液流电池各自的 优点， 是一种储能容量与功率彼此独立、 寿命长、 绿色环保的新型化学储能技术。 目 前设计的锂离子液流电池由正极储液罐、 负极储液罐、 电池反应器、液泵及密封管道 组成。 其中， 正极储液罐盛放正极复合材料颗粒（例如磷酸 铁锂复合材料颗粒）和电 解液的混合物， 负极储液罐盛放负极复合材料颗粒（例如钛酸 锂复合材料颗粒）和电 解液的混合物。参考图 1所示， 现有技术中锂离子液流电池工作时， 电极悬浮液在液 泵 4的推动下通过密封管道在储液罐和电池反应� �之间流动，流速可根据电极悬浮液 浓度和环境温度进行调节。其中， 正极悬浮液由正极进液口进入电池反应器的正 极反 应腔 1， 完成反应后由正极出液口通过密封管道返回正 极储液罐。 与此同时， 负极悬 浮液由负极进液口进入电池反应器的负极反应 腔 2， 完成反应后由负极出液口通过密 封管道返回负极储液罐。在正极反应腔 1与负极反应腔 2之间有电子不导电的多孔隔 膜 3， 将正极悬浮液中的正极活性材料颗粒和负极悬 浮液中的负极活性材料颗粒相互 隔开，避免正负极活性材料颗粒直接接触而导 致电池内部的短路。正极反应腔 1内的 正极悬浮液和负极反应腔 2内的负极悬浮液可以通过多孔隔膜 3中的电解液进行锂离 子交换传输。

虽然锂离子液流电池在大规模储能应用中拥有 诸多的优势，但是， 由于电极悬浮 液的粘度很大， 使用液泵 4对电极悬浮液进行循环时会产生较大的机械� �耗，严重降 低电池的能量效率。 液泵还容易导致电极悬浮液的泄露或与大气中 的水氧气体接触， 造成安全隐患。此外， 由于锂离子液流电池的电极悬浮液具有电子导 电性， 因此目前 尚无完整的电池串并联系统，如何设计大容量 高电压的锂离子液流电池是目前急需解 决的问题。

另外， 锂离子液流电池的关键部件是电池反应器。现 有的锂离子液流电池反应器 由具有交叉结构的电极盒组成， 制作工艺简单，采用的双隔膜结构能够避免电 池内部 短路从而大大提高了电池的安全性能， 同时由于正负电极片间距小、 结构紧凑， 使得 电池的充放电性能和能量密度大大提高。不足 的是， 电极悬浮液在平板集流板中流动 性较差且不均匀， 同时由于电极悬浮液由有机电解液、 电极活性材料和导电剂组成， 是一种粘稠的非水系悬浮液，目前的电池反应 器由于没有设置气体保护装置和气流通 道， 使得目前的电池反应器安全性能较低， 且散热性不好， 这些问题在一定程度上影 响了锂离子液流电池的整体性能和规模实施。 发明内容 本发明实施例提供一种无泵锂离子液流电池、 电池反应器及电极悬浮液配置方 法，以解决现有锂离子液流电池能量效率不高 ，容易造成电池的机械损耗和安全隐患， 降低了电池使用性能的问题。

为了解决上述技术问题， 本发明实施例公开了如下技术方案：

第一方面， 提供一种无泵锂离子液流电池， 所述电池包括： 正极配液罐、 负极配 液罐、 正极集液罐、 负极集液罐、 正极运输罐、 负极运输罐以及若干个电池子系统； 所述正极配液罐和负极配液罐位于所述若干个 电池子系统的上方，所述正极配液 罐的出液口与所述电池子系统的正极进液口通 过管道连接，所述管道上设有正极配液 闽； 所述负极配液罐的出液口与所述电池子系统的 负极进液口通过管道连接，所述管 道上设有负极配液闽，所述正极集液罐和负极 集液罐位于所述若干个电池子系统的下 方，所述正极集液罐的进液口与所述电池子系 统的正极出液口通过管道连接，所述管 道上设有正极集液闽；所述负极集液罐的进液 口与所述电池子系统的负极出液口通过 管道连接， 所述管道上设有负极集液闽。 所述若干个电池子系统之间的电路组合方式为 串联，所述电池子系统包括： 正极 进液罐、 负极进液罐、 正极出液罐、 负极出液罐以及正极进液口、 正极出液口、 负极 进液口、 负极出液口以及若干个电池反应器；

所述电池反应器包含有正极反应腔和负极反应 腔，所述正极进液罐和负极进液罐 位于所述电池反应器的上方；所述正极进液罐 的进液口为所述电池子系统的正极进液 口，所述正极进液罐的出液口与所述电池反应 器的正极反应腔通过管道连接， 且中间 设有正极进液闽； 所述负极进液罐的进液口为所述电池子系统的 负极进液口，所述负 极进液罐的出液口与所述电池反应器的负极反 应腔通过管道连接，且中间设有负极进 液闽，所述正极出液罐和负极出液罐位于所述 电池反应器的下方； 所述正极出液罐的 进液口与所述电池反应器的正极反应腔通过管 道连接， 且中间设有正极出液闽， 所述 正极出液罐的出液口为所述电池子系统的正极 出液口；所述负极出液罐的进液口与所 述电池反应器的负极反应腔通过管道连接， 且中间设有负极出液闽，所述负极出液罐 的出液口为所述电池子系统的负极出液口；

所述锂离子液流电池工作时， 至多一个所述电池子系统与正极配液罐、正极 集液 罐、 负极配液罐或负极集液罐连通。

所述电池子系统内部的电池反应器之间的电路 组合方式为并联；

所述电池反应器的并联排列方式包括：由左到 右横向排列，或由高到低纵向排列， 或由多个横向排列和多个纵向排列组成的阵列 。

所述正极配液罐、 负极配液罐、 正极集液罐、 负极集液罐、 正极运输罐和负极运 输罐， 以及所述正极进液罐、 负极进液罐、 正极出液罐和负极出液罐均包含位于所述 无泵锂离子液流电池的罐体的底面的一个或多 个进液口以及位于所述罐体的侧面的 一个或多个出液口，所述罐体顶部设有惰性气 体进气口和排气口，所述进气口与储气 系统连接， 所述排气口与集气系统连接； 所述进气口处设有稳压装置， 所述排气口处 设有限压装置，所述稳压装置与限压装置对所 述罐体内气压进行调节并保持恒定， 所 述集气系统回收到的惰性气体经过净化和增压 后进入所述储气系统循环利用。

所述正极进液罐和正极出液罐中装有正极悬浮 液和惰性气体，所述负极进液罐和 负极出液罐中装有负极悬浮液和惰性气体；

所述罐体内部的顶部固定设置有气体软袋，所 述气体软袋与所述进气口和排气口 相连，所述气体软袋用于通过控制充入所述惰 性气体给所述正极悬浮液或负极悬浮液 施压， 以使所述正极悬浮液或负极悬浮液从所述出液 口排出。

所述无泵锂离子液流电池运行时，所述正极进 液罐的气压与所述负极进液罐的气 压保持一致， 以及所述正极出液罐的气压与所述负极出液罐 的气压保持一致。

所述正极配液罐和正极进液罐之间增加一个或 多个正极配液过渡罐；所述负极配 液罐和负极进液罐之间增加一个或多个负极配 液过渡罐；所述正极出液罐和正极集液 罐之间增加一个或多个正极集液过渡罐；所述 负极出液罐和负极集液罐之间增加一个 或多个负极集液过渡罐。

所述液流电池还包括安全防护系统，所述安全 防护系统包括： 电池监控子系统和 悬浮液置换装置；

所述电池监控子系统，用于监控所述无泵锂离 子液流电池的各项指标， 以及在所 述无泵锂离子液流电池出现异常时启动所述悬 浮液置换装置；

所述悬浮液置换装置， 用于在启动时， 使所述正极悬浮液和负极悬浮液分离。 所述电池监控子系统包括：信号采集装置、微 处理器、显示仪表及警报提示装置; 所述信号采集装置、 显示仪表、警报提示装置分别与所述微处理器 连接； 所述信号采 集装置包括电流传感器、 电压传感器、 温度传感器和气体成分分析传感器；

所述电流传感器和电压传感器， 与所述电池反应器的正极和负极连接， 分别用于 测试所述电池反应器充电和放电时的电流和电 压；

所述温度传感器和气体成分分析传感器，设置 于所述电池反应器的惰性气体通道 中， 分别用于监控所述电池反应器的实时温度和气 体成分变化；

所述微处理器， 用于对信号采集系统收集到的电流、 电压、 温度、 气体成分进行 分析， 并在分析结果为异常时启动所述悬浮液置换装 置；

所述警报提示装置， 用于在分析结果为异常时发出警报；

所述数据显示仪表， 用于显示所述分析结果。

所述悬浮液置换装置包括： 惰性气体压力控制单元、密封管道、悬浮液控 制闽和 气压控制闽，所述惰性气体压力控制单元通过 密封管道和控制闽分别与所述电池反应 器的正极反应腔、 负极反应腔连接；

当所述悬浮液置换装置启动时，通过控制所述 悬浮液控制闽和气压控制闽的开启 或关闭， 使正极悬浮液流入正极悬浮液回收罐， 负极悬浮液流入负极悬浮液回收罐。

所述悬浮液置换装置包括： 正极惰性液体储存罐、 正极惰性液体回收罐、 负极惰 性液体储存罐、 负极惰性液体回收罐、惰性气体压力控制单元 、密封管道和若干控制 闽； 所述正极惰性液体储存罐、 正极惰性液体回收罐、 负极惰性液体储存罐、 负极惰 性液体回收罐、惰性气体压力控制单元、密封 管道和若干控制闽分别与所述电池反应 器的正极反应腔、 负极反应腔连接； 当所述悬浮液置换装置启动时，通过控制所述 悬浮液控制闽和气压控制闽的开启 或关闭， 使正极惰性液体注入所述电池反应器的正极反 应腔， 与正极悬浮液混合并流 入所述正极惰性液体回收罐， 使负极惰性液体注入所述电池反应器的负极反 应腔， 与 负极悬浮液混合并流入所述负极惰性液体回收 罐。

所述闽体为内部绝缘闽， 当所述内部绝缘闽开启时，所述闽体两侧电极 悬浮液连 通； 当所述内部绝缘闽关闭时， 所述闽体两侧电极悬浮液断开。

第二方面，提供一种无泵锂离子液流电池反应 器，所述电池反应器为应用于前述 无泵锂离子液流电池内的电池反应器， 所述电池反应器包括： 多孔隔膜、 正极集流板 和负极集流板； 所述正极集流板、 多孔隔膜和负极集流板相互叠加在一起， 形成叠加 结构；

其中， 所述正极集流板和负极集流板为具有直通沟槽 的波形板，所述正极集流板 的直通沟槽方向和所述负极集流板的直通沟槽 方向相互垂直；两层所述多孔隔膜之间 设有正极集流板构成正极反应腔，两层所述多 孔隔膜之间设有负极集流板构成负极反 应腔；所述多孔隔膜与所述正极集流板和负极 集流之间沿沟槽方向在集流板的两侧粘 接固定， 相邻的所述正极反应腔与负极反应腔的边缘四 周粘接固定； 正极悬浮液在正 极反应腔沿沟槽方向流通， 负极悬浮液在负极反应腔沿沟槽方向流通； 所述正极悬浮 液流通方向的两端的侧面分别为 A面和 A '面， 以及所述负极悬浮液流通方向的两 端的侧面分别为 B面和 B '面， 其中， 所述 A面和 A '面分别与所述 B面和 B '面 互相垂直。

所述正极集流板和负极集流板的剖面波形包括 ： 正弦波、方波、三角波、梯形波、 锯齿波、 脉冲波、 或者具有凸凹起伏的异型波。

所述正极集流板的材料采用铝或表面镀铝的金 属板， 厚度的取值范围为 0.05 至 0.5毫米； 所述负极集流板的材料采用铜、 镍、 表面镀铜、 或表面镀镍的金属板， 厚 度的取值范围为 0.05至 0.5毫米。

所述正极集流板或负极集流板的凸凹起伏的凸 点或凹点的外侧涂有绝缘层；所述 绝缘层的厚度小于 0.1毫米。

所述正极集流板在所述 A面和 A '面分别设置有正极极耳， 并分别由正极极柱 通过所述正极极耳将各层所述正极集流板相连 ;所述负极集流板在所述 B面和 B '面 分别设置有负极极耳， 并分别由负极极柱通过所述负极极耳将各层负 极集流板相连； 所述正极极柱和负极极柱分别为导电的金属杆 。

所述电池反应器还包括： 两片冷却板， 所述冷却板表面开有气流通道， 所述多孔 隔膜与所述正极集流板和负极集流板相互叠加 的结构位于两个所述冷却板之间，组成 电池模块， n个所述电池模块叠加在一起， 组成电池堆， 其中， 所述 n为大于 1的自 然数。

所述电池堆的上面和下面分别设置进液导流室 和出液导流室，所述进液导流室和 出液导流室的内部分别设置有互不相通的正极 导流腔和负极导流腔，所述进液导流室 设置有正极进液口和负极进液口，所述正极导 流腔和负极导流腔的一端分别与所述正 极进液口和负极进液口相连， 另一端分别通向所述进液导流室的互相垂直的 两个侧 面， 所述两个侧面为所述 A面和 B面； 以及所述出液导流室设置有正极出液口和负 极出液口，所述正极导流腔和负极导流腔的一 端分别与所述正极出液口和负极出液口 相连， 另一端分别通向所述出液导流室的互相垂直的 两个侧面，所述两个侧面分别为 所述 A面和 B面， 或所述 A '面和 B '面。

所述进液导流室和第一层电池模块、相邻的两 层电池模块、 以及第 n层电池模块 与所述出液导流室的同一侧面设置有转向罩；

若 n为偶数， 则在所述进液导流室和第一层电池模块、 在第二层和第三层电池模 块、第 n-2层和第 n-1层电池模块、及在第 n层电池模块和所述出液导流室的 A面设 置 ^ + 1个转向罩， 以及， 在第一层和第二层电池模块、第 n-1层和第 n层电池模块的 2

A '面设置 个转向罩； 并且， 在所述进液导流室和第一层电池模块、 在第二层和第

2

三层电池模块、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池模块和所述出液导流 室的 B面设置 ^ + 1个转向罩， 以及， 在第一层和第二层电池模块、 第二层和第三层

2 电池模块、 第 n-1层和第 n层电池模块的 B '面设置 ^个转向罩；

2

若 n为奇数， 则在所述进液导流室和第一层电池模块、在第 二层和第三层电池模 块、 第 n-1层和第 n层电池模块的 A面分别设置^个转向罩， 以及， 在第一层和

2

第二层电池模块、 第二层和第三层电池模块、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池模块和所述出液导流室的 A '面设置^■个转向罩； 并且， 在所述进液导流

2

室和第一层电池模块、 在第二层和第三层电池模块、 第 n-1层和第 n层电池模块的 B 面分别设置 li个转向罩， 以及， 在第一层和第二层电池模块、 第二层和第三层电 池模块、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池模块和所述出液导流室的 面设置^个转向罩。

2

所述进液导流室和出液导流室的正极导流腔和 负极导流腔为树状，包括主流道和 从主流道分支出的两条以上分流道；所述正极 进液口和负极进液口分别与所述进液导 流室的正极导流腔和负极导流腔的主流道相连 ；所述正极出液口和负极出液口分别与 所述出液导流室的正极导流腔和负极导流腔的 主流道相连。

所述电池反应器进一步包括气体保护室；

其中， 进液导流室、 电池堆、 转向罩和出液导流室放置在所述气体保护室内 部， 所述气体保护室的顶部开有进气孔、出气孔、 正极极柱孔、正极进液孔和负极进液孔， 所述正极进液孔和负极进液孔分别连接正极进 液口和负极进液口，所述正极极柱由一 根导线相连，通过所述正极极柱孔引出构成正 极主极柱； 所述气体保护室的底部开有 负极极柱孔、正极出液孔和负极出液孔，所述 正极出液孔和负极出液孔分别连接正极 出液口和负极出液口，所有负极极柱由另一根 导线相连，通过所述负极极柱孔引出构 成负极主极柱。

第三方面，提供一种无泵锂离子液流电池的电 极悬浮液配置方法，所述方法用于 对前述无泵锂离子液流电池内的电极悬浮液进 行配置， 所述配置方法包括：

注入电极悬浮液： 当所述电极悬浮液为正极悬浮液时， 关闭正极进液闽， 打开正 极配液闽， 利用稳压装置和限压装置将正极配液罐和正极 出液罐的气压稳定在 1至 2 个大气压范围内的一个恒定值， 且使所述正极配液罐和正极出液罐内的气压值 相同； 将装有正极悬浮液的正极运输罐提升至正极配 液罐的上方，利用稳压装置和限压装置 调节正极运输罐内气压， 使正极运输罐内气压高出正极配液罐内气压 0至 0.5个大气 压， 并保持气压恒定； 通过密封管道连接正极运输罐和正极配液罐， 以使正极运输罐 内的正极悬浮液在气体压力和重力的作用下依 次流入正极配液罐和正极进液罐；当正 极进液罐的正极悬浮液含量达到罐内容量上限 时， 关闭正极配液闽， 当正极配液罐的 正极悬浮液含量达到罐内容量上限时， 断开正极运输罐与正极配液罐的连接， 完成系 统注液； 当所述电极悬浮液为负极悬浮液时，所述负极 悬浮液注入方式与所述正极悬 浮液的注入方式一致， 且正极进液罐与负极进液罐的气压值相同且恒 定；

所述电极悬浮液进入电池反应器参与电池反应 ：利用稳压装置和限压装置调节正 极出液罐的气压与负极出液罐的气压， 使正极出液罐的气压与负极出液罐的气压相 同， 且低于正极进液罐和负极进液罐的气压 0至 0.5个大气压， 并保持气压恒定； 同 时开启正极进液闽、 负极进液闽、 正极出液闽、 负极出液闽， 以使正极悬浮液和负极 悬浮液在重力和气体压力的作用下分别流入正 极反应腔与负极反应腔，并参与电池反 应后， 分别流入正极出液罐和负极出液罐， 在流入过程中， 控制正极悬浮液和负极悬 浮液同时进入电池反应器；

所述电池反应后对电极悬浮液进行收集： 收集正极悬浮液时， 当正极出液罐的正 极悬浮液含量达到容量上限时， 利用稳压装置和限压装置调节正极集液罐内的 气压， 使正极集液罐的气压低于正极出液罐的气压 0至 0.5个大气压， 并保持气压恒定， 打 开正极出液闽，以使正极出液罐内的正极悬浮 液在重力和气压的作用下流入正极集液 罐， 当正极出液罐的正极悬浮液的含量达到罐内容 量下限， 或正极集液罐的正极悬浮 液的含量达到罐内容量上限时，利用稳压装置 和限压装置将正极集液罐的气压调至与 正极出液罐的气压一致， 关闭正极集液闽； 收集负极悬浮液时， 所述负极悬浮液的收 集过程与所述正极悬浮液的收集过程一致。

所述方法还包括： 当正极进液罐的正极悬浮液含量达到容量下限 时， 向正极进液 罐配置正极悬浮液： 当负极进液罐的负极悬浮液含量达到容量下限 时， 向负极进液罐 配置负极悬浮液；

所述正极悬浮液的配置过程包括：利用稳压装 置和限压装置调节正极配液罐内的 气压， 使正极配液罐气压高出正极进液罐气压 0至 0.5个大气压， 并保持气压恒定； 打开正极配液闽，以使正极配液罐内的正极悬 浮液在重力和气压的作用下流入正极进 液罐， 当正极进液罐的正极悬浮液的容量达到罐内容 量上限， 或正极配液罐的正极悬 浮液的容量达到罐内容量下限时，利用稳压装 置和限压装置将正极配液罐的气压调至 与正极进液罐的气压一致， 关闭正极配液闽； 所述负极悬浮液的配置过程与所述正极 悬浮液的配置过程一致。

所述方法还包括： 当正极集液罐的正极悬浮液含量达到容量上限 时， 或者当正极 配液罐的正极悬浮液含量达到容量下限时，对 正极悬浮液进行转移与运输； 当负极集 液罐的负极悬浮液含量达到容量上限时，或者 当负极配液罐的负极悬浮液含量达到容 量下限时， 对负极悬浮液进行转移与运输；

所述正极悬浮液的转移与运输过程包括：当正 极集液罐的正极悬浮液含量达到容 量上限时， 利用机械提升装置将正极运输罐下降至正极集 液罐下方，利用稳压装置和 限压装置调节正极运输罐内的气压， 使正极运输罐的气压低于正极集液罐的气压 0 至 0.5个大气压， 并保持气压恒定； 通过密封管道将正极运输罐与正极集液罐连接 ， 以使正极集液罐内的正极悬浮液在重力和气压 的作用下流入正极运输罐，直至正极集 液罐的正极悬浮液到达容量下限，或直至正极 运输罐的正极悬浮液容量达到容量上限 时，将正极运输罐与正极集液罐断开； 当正极配液罐的正极悬浮液含量达到容量下限 时，利用机械提升装置将正极运输罐提升至正 极配液罐上方，利用稳压装置和限压装 置调节正极运输罐内的气压， 使正极运输罐的气压高出正极配液罐的气压 0至 0.5个 大气压， 并保持气压恒定， 通过密封管道将正极运输罐与正极配液罐连接 ， 以使正极 运输罐内的正极悬浮液在重力和气压的作用下 流入正极配液罐，当正极运输罐内的正 极悬浮液完全流入正极配液罐后， 或正极配液罐的正极悬浮液容量达到容量上限 时， 将正极运输罐与正极配液罐断开；所述负极悬 浮液的转移与运输过程与所述正极悬浮 液的转移与运输过程一致。

本发明实施例提供了的无泵锂离子液流电池利 用重力和气体压力使电极悬浮液 进行循环， 操作简单， 便于控制， 尤其是避免了使用液泵， 减少了电池循环系统的机 械损耗， 降低了液流电池的安全隐患， 同时提高了电池效率和安全使用性能； 本发明 实施例中提供的电极悬浮液的配置方法中巧妙 地使用了绝缘闽门，通过对绝缘闽门的 控制，避免了现有技术中电池反应器串联时由 电极悬浮液的电子导电性而引起的短路 的可能性， 解决了锂离子液流电池难以串联的问题。

另外， 本发明实施例还提供了无泵锂离子液流电池的 电池反应器，其中集流板采 用波形板， 能够使电极悬浮液均匀地流入各个腔室， 改善了电极悬浮液的流动性， 同 时增大集流面积，有效地提高电池的倍率特性 ； 由于在相邻的两层电池模块的侧面设 置转向罩， 从而使得电极悬浮液依次流过每层电池模块， 形成 s形流场， 加快了电极 悬浮液的流动速度， 增加了电池反应的有效体积， 可以大大提高电池的能量密度， 同 时使得各层电池模块中的电极悬浮液均匀流过 ；通过气体保护室和冷却板的气流通道 可以使得惰性保护气体能够进入电池反应器， 保证了整个电池反应器的气密性和散热 性， 同时隔绝空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液 接触， 影响电池的使用； 并且， 由 于具有主流道和分流道的进液导流室和出液导 流室，因此能够减少进液与出液带来的 扰流现象对电池均匀性的影响。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍 ， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术 人员来讲，在不付出创造性劳动性的前 提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为现有技术中锂离子液流电池结构示意图； 图 2为本发明实施例的一种无泵锂离子液流电池� �意图；

图 3为本发明实施例的包含一个电池反应器的电� �子系统示意图；

图 4为本发明实施例的电池反应器横向排列式的� �池子系统示意图；

图 5为本发明实施例的电池反应器纵向排列式的� �池子系统示意图；

图 6为本发明实施例的电池反应器阵列式的电池� �系统示意图；

图 7为本发明实施例的无泵锂离子液流电池的罐� �结构示意图；

图 8为本发明实施例的无泵锂离子液流电池罐体� �面示意图；

图 9为本发明实施例的包含过渡罐的无泵锂离子� �流电池示意图；

图 10为本发明实施例的包含安全防护系统的无泵� ��离子液流电池示意图； 图 11为本发明实施例的电池反应器的集流板的结� ��示意图， 其中， （a) 为立体 图， （b) 为剖面图；

图 12为本发明实施例的电池反应器的多孔隔膜与� ��流板相互叠加的结构的示意 图；

图 13为本发明实施例的电池模块的结构示意图；

图 14为本发明实施例的进液导流室的结构示意图� �� 其中， （a) 为立体图， （b) 为沿图 （a) 中 M-NT线的剖面图， （c) 为沿图 （a) 中 L-L '线的剖面图；

图 15为本发明实施例的电池堆的上面和下面分别� ��置进液导流室和出液导流室 的结构示意图；

图 16为本发明实施例中设置在电池堆的 A面的四个转向罩连接在一起的结构示 意图；

图 17为本发明实施例的电池堆上、 下设有进液导流室和出液导流室， 四周设有 转向罩的结构示意图；

图 18为本发明实施例的气体保护室的结构示意图� ��

图 19为本发明实施例的无泵锂离子液流电池反应� ��的工作原理图。

上述图中： 1 正极反应腔； 2 负极反应腔； 3 隔膜； 4 液泵； 5 罐体； 6 一进气口； 7—排气口； 8—储气系统； 9一集气系统； 10—进液口； 11一出液口； 12 正极进液口； 13 负极进液口； 14 正极出液口； 15 负极出液口； 16—正极进液 罐； 17 正极进液闽； 18 电池反应器； 19 正极出液闽； 20 正极出液罐； 21—负 极进液罐； 22 负极进液闽； 23 负极出液闽； 24 负极出液罐； 25 正极流体闽； 26 负极流体闽； 27 正极配液罐； 28 正极配液闽； 29 正极集液闽； 30 正极集 液罐； 31 正极运输罐； 32 负极配液罐； 33 负极配液闽； 34 负极集液闽； 35 负极集液罐； 36 负极运输罐； 37—正极配液过渡罐； 38—正极配液过渡闽； 39 一正极集液过渡闽； 40—正极集液过渡罐； 41一负极配液过渡罐； 42 负极配液过渡 闽； 43—负极集液过渡闽； 44一负极集液过渡罐； Al、 A2—电池子系统； 50—气体 软袋； 101 正极悬浮液供给罐； 102—正极惰性液体储存罐； 103—负极惰性液体储 存罐； 104 负极悬浮液供给罐； 107 正极悬浮液回收罐； 108—正极惰性液体回收 罐； 109—负极惰性液体回收罐； 110 负极悬浮液回收罐； 111一悬浮液控制闽； 112 气压控制闽； 114一惰性气体通道； 116—信号采集装置； 117—微处理器； 118—显 示仪表； 119一警报提示装置； 211—绝缘层； 201 正极集流板； 202 负极集流板； 203—多孔隔膜 203 ; 204—冷却板； 205 进液导流室； 206 出液导流室； 207—转 向罩； 208 气体保护室； 212—正极极耳； 213—负极极耳； 214—正极极柱； 215— 负极极柱； 241—气流通； 253 正极导流腔； 254 负极导流腔； 81 正极进液孔； 82 负极进液孔； 83—进气孔； 84—出气孔； 85 正极极柱孔； 86 正极主极柱； 87 负极极柱孔； 88 正极出液孔； 89 负极出液孔。 具体实施方式

本发明如下实施例提供了无泵锂离子液流电池 、电池反应器及电极悬浮液配置方 法。为了使本技术领域的人员更好地理解本发 明实施例中的技术方案， 并使本发明实 施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易 懂， 下面结合附图对本发明实施例中技 术方案作进一步详细的说明。

参见图 2， 为本发明实施例提供的一种无泵锂离子液流电 池的示意图。

本实施例提供的无泵锂离子液流电池， 包括正极配液罐 27、 负极配液罐 32、 正 极集液罐 30、 负极集液罐 35、 正极运输罐 31、 负极运输罐 36以及若干个电池子系 统 Al、 A2，所述正极配液罐 27和负极配液罐 32位于所述若干个电池子系统的上方， 所述正极配液罐 27的出液口 11与所述各电池子系统的正极进液口 12通过管道连接， 管道上设有正极配液闽 28； 所述负极配液罐 32的出液口 11与所述各电池子系统的 负极进液口 13通过管道连接， 管道上设有负极配液闽 33， 所述正极集液罐 30和负 极集液罐 35位于所述若干个电池子系统的下方， 所述正极集液罐 30的进液口 10与 所述各电池子系统的正极出液口 14通过管道连接， 管道上设有正极集液闽 29; 所述 负极集液罐 35的进液口 10与各电池子系统的负极出液口 15通过管道连接， 管道上 设有负极集液闽 34， 其中正极配液罐 27、正极集液罐 30中装有正极悬浮液和惰性气 体， 负极配液罐 32、 负极集液罐 35中装有负极悬浮液和惰性气体， 上述正极运输罐 31上下往复间歇移动， 用于正极集液罐 30和正极配液罐 27之间正极悬浮液的运输 转移； 上述负极运输罐 36上下往复间歇移动， 用于负极集液罐 35和负极配液罐 32 之间负极悬浮液的运输转移，所述若干个电池 子系统之间的电路组合方式为串联， 在 锂离子液流电池工作时， 至多只有一个电池子系统与正极配液罐 27、正极集液罐 30、 负极配液罐 32或负极集液罐 35连通。

所述电池子系统包括正极进液罐 16、 负极进液罐 21、 正极出液罐 20、 负极出液 罐 24以及正极进液口 12、 正极出液口 14、 负极进液口 13、 负极出液口 15和若干个 电池反应器 18， 电池反应器 18包含有正极反应腔 1和负极反应腔 2， 上述正极进液 罐 16和负极进液罐 21位于电池反应器 18的上方；正极进液罐 16的进液口即为电池 子系统的正极进液口 12， 正极进液罐 16的出液口与电池反应器 18的正极反应腔 1 通过管道连接且中间设有正极进液闽 17； 负极进液罐 21的进液口即为电池子系统的 负极进液口 13， 负极进液罐 21的出液口与电池反应器 18的负极反应腔 2通过管道 连接且中间设有负极进液闽 22， 上述正极出液罐 20和负极出液罐 24位于电池反应 器 18的下方； 正极出液罐 20的进液口与电池反应器 18的正极反应腔 1通过管道连 接且中间设有正极出液闽 19， 正极出液罐 20的出液口即为电池子系统的正极出液口 14；负极出液罐 24的进液口与电池反应器 18的负极反应腔 2通过管道连接且中间设 有负极出液闽 23， 负极出液罐 24的出液口即为电池子系统的负极出液口 15 ; 其中， 正极进液罐 16和正极出液罐 20中装有正极悬浮液和惰性气体， 负极进液罐 21和负 极出液罐 24中装有负极悬浮液和惰性气体。

电池子系统内部的电池反应器 18可以为一个， 也可以为多个。 多个电池反应器

18之间的电路组合方式为并联， 多个电池反应器 18的位置为可以为从左到右横向排 列，也可以为由高到低纵向排列；还可以由多 个横向排列和多个纵向排列组成的阵列。 后续通过图 3至图 6分别对具有不同排列方式的电池反应器的电� �子系统进行描述。

采用本发明提供的无泵锂离子液流电池，利用 重力和惰性气体压力推动电极悬浮 液循环流动， 操作简单， 便于控制， 尤其是避免了使用液泵， 极大地降低了电池系统 的机械损耗， 提高了电池的整体效率和安全使用性能。 参考图 3， 为本发明实施例提供的包含一个电池反应器的 电池子系统示意图： 该电池子系统包括： 1个电池反应器 18、 1个正极进液罐 16、 1个正极出液罐 20、 1个负极进液罐 21、 1个负极出液罐 24。 正极进液罐 16、 正极反应腔 1、 正极出液罐 20的位置由高到低依次排列； 负极进液罐 21、 负极反应腔 2、 负极出液罐 24的位置 由高到低依次排列。 其中， 电池反应器 18的正极反应腔 1通过密封管道分别与正极 进液罐 16的出液口 11和正极出液罐 20的进液口 10连接，正极反应腔 1与正极进液 罐 16之间设有正极进液闽 17， 正极反应腔 1与正极出液罐 20之间设有正极出液闽 19； 电池反应器 18的负极反应腔 2通过密封管道分别与负极进液罐 21的出液口 11 和负极出液罐 24的进液口 10连接， 负极反应腔 2与负极进液罐 21之间设有负极进 液闽 22， 负极反应腔 2与负极出液罐 24之间设有负极出液闽 23。 参见图 4， 为本发明实施例提供的多个电池反应器横向排 列的无泵锂离子液流电 池子系统示意图：

该电池子系统包括： 3个电池反应器 18、 1个正极进液罐 16、 1个正极出液罐 20、

1个负极进液罐 21、 1个负极出液罐 24。 3个电池反应器 18之间的位置为由左到右 横向排列。 正极进液罐 16、 正极反应腔 1、 正极出液罐 20的位置由高到低依次排列； 负极进液罐 21、 负极反应腔 2、 负极出液罐 24 的位置由高到低依次排列。 其中， 3 个电池反应器 18的正极反应腔 1均通过密封管道分别与正极进液罐 16的出液口 11 和正极出液罐 20的进液口 10连接， 各正极反应腔 1与正极进液罐 16之间均设有正 极进液闽 17， 各正极反应腔 1与正极出液罐 20之间均设有正极出液闽 19; 3个电池 反应器 18的负极反应腔 2均通过密封管道分别与负极进液罐 21的出液口 11和负极 出液罐 24的进液口 10连接， 各负极反应腔 2与负极进液罐 21之间均设有负极进液 闽 22， 各负极反应腔 2与负极出液罐 24之间均设有负极出液闽 23。 参见图 5， 为本发明实施例提供的多个电池反应器纵向排 列的无泵锂离子液流电 池子系统示意图：

该电池子系统包括： 3个电池反应器 18、 1个正极进液罐 16、 1个正极出液罐 20、 1个负极进液罐 21、 1个负极出液罐 24。 3个电池反应器 18之间由高到低纵向排列。 正极进液罐 16、 正极反应腔 1、 正极出液罐 20的位置由高到低依次排列； 负极进液 罐 21、 负极反应腔 2、 负极出液罐 24的位置由高到低依次排列。 其中， 3个电池反 应器 18位置由高到低排列， 3个正极反应腔 1通过密封管道依次连接， 3个负极反应 腔 2通过密封管道依次连接。 正极反应腔 1与正极反应腔 1之间设有正极流体闽 25， 负极反应腔 2与负极反应腔 2之间设有负极流体闽 26。 位于顶端的正极反应腔 1通 过密封管道与正极进液罐 16的出液口 11连接，位于顶端的负极反应腔 2通过密封管 道与负极进液罐 21的出液口 11连接；位于底端的正极反应腔 1通过密封管道与正极 出液罐 20的进液口 10连接， 位于底端的负极反应腔 2通过密封管道与负极出液罐 24的进液口 10连接。 顶端正极反应腔 1与正极进液罐 16之间设有正极进液闽 17， 顶端负极反应腔 2与负极进液罐 21之间设有负极进液闽 22; 底端正极反应腔 1与正 极出液罐 20之间设有正极出液闽 19， 底端负极反应腔 2与负极出液罐 24之间设有 负极出液闽 23。 参见图 6， 为本发明实施例提供的多个电池反应器阵列排 布的无泵锂离子液流电 池子系统示意图：

该电池子系统包括： 9个电池反应器 18、 1个正极进液罐 16、 1个正极出液罐 20、 1个负极进液罐 21、 1个负极出液罐 24。 其中， 9个电池反应器 18横向排列和纵向 排列组成阵列， 即 3个电池反应器 18为一组， 9个电池反应器 18共分为 3组， 每一 组中的 3个电池反应器 18均按照图 4中的方式连接， 3组电池反应器 18按照图 3中 的方式并联。 参见图 7， 为本发明实施例的无泵锂离子液流电池的罐体 结构示意图： 结合前述图 2至图 6示出的实施例， 本发明实施例的正极配液罐 27、 负极配液 罐 32、 正极集液罐 30、 负极集液罐 35、 正极运输罐 31和负极运输罐 36， 以及正极 进液罐 16、 负极进液罐 21、 正极出液罐 20和负极出液罐 24均包含位于罐体 5底面 的一个或多个进液口 10以及位于罐体 5侧面的一个或多个出液口 11， 在罐体 5顶部 设有惰性气体进气口 6和排气口 7， 进气口 6与储气系统 8连接， 排气口 7与集气系 统 9连接； 进气口 6处设有稳压装置， 排气口 7处设有限压装置， 稳压装置与限压装 置对罐体 5内气压进行调节并保持恒定，集气系统 9回收到的惰性气体经过净化和增 压后可进入储气系统 8循环利用。

本发明实施例的无泵锂离子液流电池储料罐所 用材料可以为不锈钢、 PE (聚乙 烯）、 PP (聚丙烯） 等， 壁厚范围可以为 1-10毫米。 参见图 8， 为本发明实施例的无泵锂离子液流电池罐体剖 面示意图：

图 8中， 罐体 5内部的顶部固定设置有气体软袋 50， 所述气体软袋 50与所述进 气口 6和排气口 7相连， 所述气体软袋 50用于通过控制充入的惰性气体来给所述正 极悬浮液或负极悬浮液施压， 以使所述正极悬浮液或负极悬浮液从所述出液 口 11排 出。 所述惰性气体包括氮气或氩气， 气压范围为 0.1-0.5 Mpa。 其中， 气体软袋 50材料可以为 PE、 PP等， 能够承受 0.5 Mpa及以上的气压。气 体软袋 50固定在罐体 5内部的顶部， 与进气口 6和排气口 7相通， 充满惰性气体后 体积小于等于罐体容积。

电池工作时， 当储料罐内电极悬浮液达到罐体 5容量上限时， 打开密封管道上相 应的闽体， 同时在储料罐的进气口 6注入惰性气体进入气体软袋 50， 气体软袋 50在 气压作用下发生鼓胀， 储料罐内电极悬浮液在重力和气体软袋 50的鼓胀作用下， 流 入电池子系统或下一个储料罐。

在配液罐内放置气体软袋， 可避免惰性气体与电极悬浮液直接接触，避免 了低纯 度气体内水氧体对电极悬浮液带来的影响，无 需采用高纯度气体即可达到对电极悬浮 液的压力推动作用， 降低了成本。 参考图 9， 为本发明实施例的包含过渡罐的无泵锂离子液 流电池示意图： 与图 2示出的无泵锂离子液流电池相比，图 9中示出的无泵锂离子液流电池的正 极配液罐 27和正极进液罐 16之间增加一个或多个正极配液过渡罐 37; 负极配液罐 32和负极进液罐 21之间增加一个或多个负极配液过渡罐 41 ; 正极出液罐 20和正极 集液罐 30之间增加一个或多个正极集液过渡罐 40; 负极出液罐 24和负极集液罐 35 之间增加一个或多个负极集液过渡罐 44。

如图 9所示，本实施例提供的包括过渡罐的无泵锂� �子液流电池，包括 1个正极 配液罐 27、 1个正极配液过渡罐 37、 1个负极配液罐 32、 1个负极配液过渡罐 41、 1 个正极集液罐 30、 1个正极集液过渡罐 40、 1个负极集液罐 35、 1个负极集液过渡罐 44、 1个正极运输罐 31、 1个负极运输罐 36、 2套机械提升装置、 1个储气瓶、 1个 排气瓶以及 1个实施例 4中所阐述的电池子系统。 正极配液罐 27、 正极配液过渡罐 37、 负极配液罐 32和负极配液过渡罐 41位于电池子系统的上方， 正极集液罐 30、 正极集液过渡罐 40、 负极集液罐 35和负极集液过渡罐 44位于电池子系统的下方。 正极配液罐 27、 正极配液过渡罐 37、 电池子系统的正极进液口 12、 电池子系统的正 极出液口 14、 正极集液过渡罐 40、 正极集液罐 30的位置由高到低排列， 并通过密封 管道依次连接； 负极配液罐 32、 负极配液过渡罐 41、 电池子系统的负极进液口 13、 电池子系统的负极出液口 15、负极集液过渡罐 44、负极集液罐 35的位置由高到低排 列， 并通过密封管道依次连接。

正极配液罐 27与正极配液过渡罐 37之间设有正极配液阀 28， 正极配液过渡罐

37与电池子系统的正极进液口 12之间设有正极配液过渡闽 38，电池子系统的正极出 液口 14与正极集液过渡罐 40之间设有正极集液过渡闽 39， 正极集液过渡罐 40与正 极集液罐 30之间设有正极集液闽 29。

负极配液罐 32与负极配液过渡罐 41之间设有负极配液阀 33， 负极配液过渡罐 41与电池子系统的负极进液口 13之间设有负极配液过渡闽 42，电池子系统的负极出 液口 15与负极集液过渡罐 44之间设有负极集液过渡闽 43， 负极集液过渡罐 44与负 极集液罐 35之间设有负极集液闽 34。 正极运输罐 31可借助机械装置进行上下往复 运动， 用于正极集液罐 30和正极配液罐 27之间的正极悬浮液运输； 负极运输罐 36 可借助机械装置进行上下往复运动，用于负极 集液罐 35和负极配液罐 32之间的负极 悬浮液运输。其中， 罐体 5的进气口 6与储气系统 8连接， 罐体 5的排气口 7与集气 系统 9连接。 参见图 10， 为本发明实施例的包含安全防护系统的无泵锂 离子液流电池示意图： 图 10示出的无泵锂离子液流电池的安全防护系统� ��括： 电池监控子系统和悬浮 液置换装置，所述电池监控子系统用于监控无 泵锂离子液流电池的各项指标， 并在出 现异常时启动悬浮液置换装置； 所述悬浮液置换装置用于在出现异常时， 使正极悬浮 液和负极悬浮液分离。

所述电池监控子系统包括： 信号采集装置 116、 微处理器 117、 显示仪表 118及 警报提示装置 119; 所述信号采集装置 116、显示仪表 118、警报提示 119装置分别与 所述微处理器 117连接； 所述信号采集装置 116包括电流传感器、 电压传感器、 温度 传感器和气体成分分析传感器；

所述电流传感器和电压传感器与所述电池反应 器的正、负极连接， 分别用于测试 电池反应器的充、 放电时的电流和电压；

所述温度传感器和气体成分分析传感器设置于 所述电池反应器的惰性气体通道 中， 分别用于监控所述电池反应器的实时温度和气 体成分变化；

所述微处理器 117用于对信号采集系统收集到的电流、 电压、 温度、 气体成分进 行分析， 并在分析结果为异常时启动悬浮液置换装置；

所述警报提示装置 119用于在分析结果为异常时发出警报；

所述数据显示仪表 118用于显示所述分析结果。

异常情况包括但不限于： 1、 电流急剧增大； 2、 电流值超过设定的电流临界值； 3、 电压急剧降低； 4、 温度急剧升高； 5、 温度值大于设定的温度临界值； 6、 气体成 分分析结果中 CH ₄ 、 C0 ₂ 、 碳酸酯溶剂挥发气体中某一种成分含量急剧升 高或超过临 界设定值。

本发明的实施例提供的一种悬浮液置换装置中 ， 包括惰性气体压力控制单元（图 10中未示出）、 密封管道和悬浮液控制闽 111和气压控制闽 112， 所述惰性气体压力 控制单元通过密封管道和控制闽分别与电池反 应器正极反应腔 1、负极反应腔 2连接； 当悬浮液置换装置启动时，通过控制所述悬浮 液控制闽 111和气压控制闽 112的开启 或关闭， 使正极悬浮液流入正极悬浮液回收罐 107， 负极悬浮液流入负极悬浮液回收 罐 110。

具体过程为： 当悬浮液置换装置启动时， 关闭电池反应器与正极悬浮液供给罐

101、 负极悬浮液供给罐 104之间的悬浮液控制闽 111， 断开悬浮液进液管路； 调整 惰性气体压力控制系统的气压控制闽， 关闭惰性气体与正极悬浮液供给罐 101、 负极 悬浮液供给罐 104之间的气压控制闽 112， 开启惰性气体与电池反应器正极反应腔、 负极反应腔之间的气压控制闽 112， 改变气体流动路径， 在惰性气体的压力下， 正极 悬浮液流入正极悬浮液回收罐 107， 负极悬浮液流入负极悬浮液回收罐 110。

本发明的实施例提供的另一种悬浮液置换装置 中， 包括正极惰性液体储存罐 102、正极惰性液体回收罐 108、负极惰性液体储存罐 103、负极惰性液体回收罐 109、 惰性气体压力控制单元、 密封管道、 悬浮液控制闽 111和气压控制闽 112; 当悬浮液 置换装置启动时， 通过控制所述悬浮液控制闽 111和气压控制闽 112的开启或关闭， 使正极惰性液体注入电池反应器的正极反应腔 1， 与正极悬浮液混合并流入正极惰性 液体回收罐 108， 使负极惰性液体注入电池反应器的负极反应腔 2， 与负极悬浮液混 合并流入负极惰性液体回收罐 109。

具体过程为： 关闭电池反应器与正极悬浮液供给罐 101、正极悬浮液回收罐 107、 负极悬浮液供给罐 104、 负极悬浮液回收罐 110之间的悬浮液控制闽 111， 断开悬浮 液流动通道， 开启电池反应器与正极惰性液体储存罐 102、正极惰性液体回收罐 108、 负极惰性液体储存罐 103、 负极惰性液体回收罐 109之间的悬浮液控制闽 111， 连通 惰性液体流动通道； 同时调整惰性气体压力控制系统的气压控制闽 112， 关闭惰性气 体与正极悬浮液供给罐 101、 负极悬浮液供给罐 104之间的气压控制闽 112， 开启惰 性气体与正极惰性液体储存罐 102、 负极惰性液体储存罐 103 之间的悬浮液控制闽 111， 在惰性气体的压力下， 正极惰性液体注入电池反应器的正极反应腔 1， 与正极 悬浮液混合并流入正极惰性液体回收罐 108， 负极惰性液体注入电池反应器的负极反 应腔 2， 与负极悬浮液混合并流入负极惰性液体回收罐 109。

本实施例提供的包含安全防护系统的无泵锂离 子液流电池，利用电池监控子系统 对电池反应器的电流、 电压、 温度、 气体成分进行采集和分析， 监测电池反应器的状 态， 当电池反应器发生异常时， 能够及时发出警示信号并启动安全防护装置， 使正极 悬浮液和负极悬浮液分离， 避免事故的发生。 前述图 2至图 10示出的实施例中， 正极悬浮液可以为正极活性材料颗粒、 导电 剂与电解液的混合物， 正极活性材料颗粒为磷酸亚铁锂、 磷酸锰锂、 硅酸锂、 硅酸铁 锂、 钛硫化合物、 钼硫化合物、 铁硫化合物、 掺杂锂锰氧化物、 锂钴氧化物、 锂钒氧 化物、 锂钛氧化物、 锂镍锰氧化物、 锂镍钴氧化物、 锂镍锰钴氧化物以及其它可嵌锂 化合物的一种或几种混合物； 导电剂为碳黑、 碳纤维、 金属颗粒以及其他电子导电材 料中的一种或几种混合物。

负极悬浮液可以为负极活性材料颗粒、导电剂 与电解液的混合物， 负极活性材料 颗粒为可逆嵌锂的铝基合金、 硅基合金、 锡基合金、 锂钒氧化物、 锂钛氧化物、 碳材 料的一种或几种混合物； 导电剂为碳黑、 碳纤维、 金属颗粒以及其他电子导电材料中 的一种或几种混合物。

密封管道的材料可以为聚乙烯、 聚丙烯、 聚四氟乙烯、 聚偏氟乙烯或其它电子不 导电材料， 或者所述密封管道为内衬有聚乙烯、 聚丙烯、 聚四氟乙烯、 聚偏氟乙烯或 其它电子不导电材料的不锈钢或其它合金材料 。

本发明实施例提供的无泵锂离子液流电池运行 时， 正极进液罐 16的气压与负极 进液罐 21的气压保持一致， 以及正极出液罐的气压 20与负极出液罐 24的气压也保 持一致。 参见图 11， 为本发明实施例的电池反应器的集流板的结构 示意图， 其中， （a) 为立体图， （b) 为剖面图：

如图 11中示出的电池反应器的集流板为具有直通沟� ��的波形板，并设置有极耳。 在集流板的凸凹起伏的凸点或凹点的外侧涂有 绝缘层 211。 在本实施例中， 集流板的 剖面波形为正弦波。 除了图 11中所示， 本发明实施例中的集流板的剖面波形还可以 为方波、 三角波、 梯形波、 锯齿波、 脉冲波、 或者具有凹凸起伏的异型波。 为了描述 方便， 本发明实施例中， 正极集流板和负极集流板统称为集流板； 正极悬浮液和负极 悬浮液统称为电极悬浮液。 参见图 12， 为本发明实施例的电池反应器的多孔隔膜与集 流板相互叠加的结构 的示意图：

本发明的实施例提供的电池反应器包括： 多孔隔膜 203、 正极集流板 201和负极 集流板 202， 其中， 正极集流板 201、 多孔隔膜 203和负极集流板 202相互叠加在一 起， 形成多孔隔膜 203与集流板相互叠加的结构； 其中， 正极集流板 201和负极集流 板 202为具有直通沟槽的波形板， 并且， 正极集流板 201的直通沟槽方向和负极集流 板 202的直通沟槽方向相互垂直；两层多孔隔膜 203之间设有正极集流板 201构成正 极反应腔 1， 两层多孔隔膜 203之间设有负极集流板 202构成负极反应腔 2， 其中多 孔隔膜 203与集流板之间沿沟槽方向在集流板的两侧粘 接固定，相邻的所述正极反应 腔 1与负极反应腔 2的边缘四周粘接固定；正极悬浮液在正极反� �腔 1沿沟槽方向流 通， 负极悬浮液在负极反应腔 2沿沟槽方向流通。在本实施例中， 在集流板沿沟槽方 向的两侧分别粘贴有塑料垫板， 多孔隔膜与塑料垫板之间粘接密封安装固定。 参见图 13， 为本发明实施例的电池模块的结构示意图：

本发明实施例中， 正极悬浮液流通方向的两端的侧面分别为 A面和 A '面， 以 及负极悬浮液流通方向的两端的侧面分别为 B面和 B '面，其中， A面和 A '面分别 与 B面和 B '面互相垂直。

所述正极集流板 201和负极集流板 202的剖面波形包括：正弦波、方波、三角波、 梯形波、 锯齿波、 脉冲波、 或者具有凸凹起伏的异型波。 本发明实施例中的集流板为 非平面板， 而是波形板， 随着波形板的波形的凸凹起伏， 波形板的上表面和下表面分 别形成直通沟槽， 从而电极悬浮液沿着直通沟槽的方向流通； 并且波形板能够使电极 悬浮液均匀地流入各个反应腔室， 改善了电极悬浮液的流动性， 同时增大集流面积， 有效地提高电池的倍率特性。

所述正极集流板 201 的材料可以采用铝或表面镀铝的金属板， 厚度为 0.05~0.5 毫米； 负极集流板 202的材料采用铜、 镍、 或者表面镀铜、 镀镍的金属板中的一种， 厚度为 0.05~0.5毫米。

所述在正极集流板或负极集流板的凸凹起伏的 凸点或凹点的外侧涂有绝缘层 211， 以防止长期使用导致多孔隔膜破损， 使得正极集流板与负极集流板的接触点短 路； 绝缘层的厚度小于 0.1毫米。

如图 13所示， 本发明的锂离子液流电池反应器进一步包括两 片冷却板 204， 冷 却板表面开有气流通道 241， 多孔隔膜与集流板相互叠加的结构位于两个冷 却板 204 之间， 组成电池模块。 n个所述电池模块叠加在一起， 组成电池堆， 其中， n为自然 数且 n≥2。 气流通道 241为沟槽， 沟槽的入口和出口靠近冷却板的四角， 并位于转 向罩外部。 气流通道沟槽可以为直线形、 弧形、 曲线形等的连续形沟槽。 电池工作时 惰性气体由气体保护室的进气孔进入电池反应 器内部，之后沿着气流通道入口进入两 片冷却板之间， 对电池反应器起到了冷却散热的作用。

在本实施例中，冷却板表面开有 4条相互交叉直通型气流通道。 电池模块具有相 互垂直的两对侧面， 其中， 正极悬浮液流通方向的两端的侧面分别为 A面和 A '面， 以及负极悬浮液流通方向的两端的侧面分别为 B面和 B '面。正极悬浮液从正极集流 板的 A面流向 A '面， 或从 A '面流向 A面； 负极悬浮液从负极集流板的 B面流向 B '面， 或从 B '面流向 B面。 在本实施例中， 正极集流板在 A面和 A '面的四个顶 角分别设置有四个正极极耳 212， 负极集流板在 B面和 B '面的四个顶角分别设置有 四个负极极耳 213。

所述正极集流板在 A面和 A '面分别设置有正极极耳 212， 并分别由正极极柱 214通过正极极耳 212将各层正极集流板 201相连； 负极集流板 202在 B面和 B '面 分别设置有负极极耳 213， 并分别由负极极柱 215通过负极极耳 213将各层负极集流 板 202相连； 所述正极极柱 214和负极极柱 215分别为导电的金属杆。 参见图 14， 为本发明实施例的进液导流室的结构示意图， 其中， （a) 为立体图， (b) 为沿图 （a) 中 M-NT线的剖面图， （c) 为沿图 （a) 中 L-L '线的剖面图， 以 及参见图 15， 为本发明实施例的电池堆的上面和下面分别设 置进液导流室和出液导 流室的结构示意图：

其中， 电池堆的上面和下面分别设置进液导流室 205和出液导流室 206， 进液导 流室 205和出液导流室 206的内部分别设置有互不相通的正极导流腔 253和负极导流 腔 254， 进液导流室 205设置有正极进液口 12和负极进液口 13， 正极导流腔 253和 负极导流腔 254的一端分别与正极进液口 12和负极进液口 13相连，另一端分别通向 进液导流室的互相垂直的两个侧面， 即 A面和 B面； 以及出液导流室 206设置有正 极出液口 14和负极出液口 15， 正极导流腔 253和负极导流腔 254的一端分别与正极 出液口 14和负极出液口 15相连，另一端分别通向出液导流室的互相垂� ��的两个侧面， 即 A面和 B面或 A '面和 B '面。

图 15中， 七层电池模块叠加在一起， 组成电池堆， 电池堆的上面和下面分别设 置进液导流室 205和出液导流室 206。所有同侧正极极耳 212分别由四根正极极柱 214 相连， 所有同侧负极极耳 213分别由四根负极极柱 215相连。 参见图 16， 为本发明实施例中设置在电池堆的 A面的四个转向罩连接在一起的 结构示意图：

其中， 进液导流室和第一层电池模块、 相邻的两层电池模块、 以及第七层电池模 块与出液导流室的同一侧面设置有转向罩 207。 本实施例中， 正极悬浮液或负极悬浮 液分别从进液导流室的正极进液口或负极进液 口流入正极导流腔或负极导流腔，在转 向罩的引流作用下， 依次流过每层电池模块的各个正极反应腔室或 负极反应腔室， 形 成 S形流场， 并最终从出液导流室的正极出液口或负极出液 口流出。 由于通过在相邻 的两层电池模块的侧面设置转向罩， 从而使得电极悬浮液依次流过每层电池模块， 形 成 S形流场， 加快了电极悬浮液的流动速度， 增加了电池反应的有效体积， 可以大大 提高电池的能量密度， 同时使得各层电池模块中的电极悬浮液均匀流 过。 参见图 17， 为本发明实施例的电池堆上、 下设有进液导流室和出液导流室， 四 周设有转向罩的结构示意图：

其中， 进液导流室 205和出液导流室 206的正极导流腔 253和负极导流腔 254 为树状， 包括主流道和从主流道分支出的两条以上分流 道； 正极进液口 12和负极进 液口 13分别与进液导流室 205的正极导流腔和负极导流腔的主流道相连； 正极出液 口 14和负极出液口 15分别与出液导流室 206的正极导流腔和负极导流腔的主流道相 连。本实施例中， 具有主流道和分流道的进液导流室和出液导流 室， 能够减少进液与 出液带来的扰流现象对电池均匀性的影响。

本发明的实施例中， 进液导流室和第一层电池模块、相邻的两层电 池模块、 以及 第 n层电池模块与出液导流室的同一侧面设置有� �向罩 207; 结合图 15和图 17， 七 层电池模块叠加在一起组成电池堆，在进液导 流室和第一层电池模块、第二层和第三 层、 第四层和第五层、 以及第六层和第七层电池模块的 A面、 '面、 8面和8 '面 分别设置转向罩 207。连接正极极耳 212的正极极柱 214和连接负极极耳 213的负极 极柱 215处于转向罩外面。

若 n 为偶数， 则在进液导流室和第一层电池模块、 在第二层和第三层电池模 块、 ……、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池模块和出液导流室的 A面 设置 ^ + 1个转向罩 207， 以及， 在第一层和第二层电池模块、 ……、 第 n-1层和第 n 2 层电池模块的 面设置 个转向罩 207; 并且， 在进液导流室和第一层电池模块、

2

在第二层和第三层电池模块、 ……、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池 模块和出液导流室的 B面设置 ^ + l个转向罩 207， 以及， 在第一层和第二层电池模

2 块、 ……、 第 n-1层和第 n层电池模块的 面设置 ^个转向罩 207;

2

若 n 为奇数， 则在进液导流室和第一层电池模块、 在第二层和第三层电池模 块、 ……、 第 n-1层和第 n层电池模块的 A面分别设置^个转向罩 207， 以及， 在

2

第一层和第二层电池模块、 ……、 第 n-2层和第 n-1层电池模块、 及在第 n层电池模 块和出液导流室的 A '面设置^个转向罩 207; 并且， 在进液导流室和第一层电池

2

模块、在第二层和第三层电池模块、 ……、第 n-1层和第 n层电池模块的 B面分别设 置 ±l个转向罩 ₂₀₇ ， 以及， 在第一层和第二层电池模块、 ……、 第 n-2层和第 n-1 2 层电池模块、及在第 n层电池模块和出液导流室的 面设置^个转向罩 207， 其

2

中， _n 为自然数且 n≥2。 参见图 18， 为本发明实施例的气体保护室的结构示意图：

其中， 进液导流室 205、 电池堆、 转向罩 207和出液导流室 206放置在气体保护 室 208内部， 气体保护室 208的顶部开有进气孔 83、 出气孔 84、 正极极柱孔 85、 正 极进液孔 81和负极进液孔 82， 正极进液孔 81和负极进液孔 82分别连接正极进液口 12和负极进液口 13， 所有正极极柱 214由一根导线相连通过正极极柱孔引出构成正 极主极柱 86; 底部开有负极极柱孔 87、 正极出液孔 88和负极出液孔 89， 正极出液 孔 88和负极出液孔 89分别连接正极出液口 14和负极出液口 15， 所有负极极柱 215 由另一根导线相连通过负极极柱孔引出构成负 极主极柱。 电池工作时，气体保护室为 一密闭箱体， 各部位可以采用粘接、 焊接或者铆接方式连接。 参见图 19， 为本发明实施例的无泵锂离子液流电池反应器 的工作原理图： 其中， 正极悬浮液通过气体保护室 208顶部的正极进液孔 81进入进液导流室的 正极导流腔 253 内， 在流道的导流作用下均匀的进入 A面的转向罩和第一层电池模 块的正极反应腔内， 之后进入 A '面的转向罩和第二层电池模块的正极反应腔� �， 正 极悬浮液在转向罩和每层电池模块的正极反应 腔内连续流动形成 S形流场，完成反应 后进入出液导流室 206中的正极导流腔，之后由正极出液口返回正 极悬浮液池。与此 同时， 负极悬浮液通过气体保护室顶部的负极进液孔 82进入进液导流室 205的负极 导流腔 254内，之后通过转向罩的引流作用进入电池堆 的负极反应腔进行反应， 完成 反应后进入出液导流室 206由负极出液口返回负极悬浮液池。

工作时， 正极悬浮液在正极反应腔沿沟槽方向流通， 负极悬浮液在负极反应腔沿 沟槽方向流通，正极集流板的沟槽方向和负极 集流板的沟槽方向相互垂直。充放电时， 正极反应腔的正极悬浮液和相邻负极反应腔的 负极悬浮液的锂离子可以通过多孔隔 膜 203微孔中的电解液以及两片多孔隔膜之间的电 解液进行交换。具体过程是： 当电 池放电时， 负极反应腔中的负极复合材料颗粒内部的锂离 子脱嵌而出， 进入电解液， 并通过多孔隔膜到达正极反应腔， 嵌入到正极复合材料颗粒内部； 与此同时， 负极反 应腔中的负极复合材料颗粒内部的电子流入负 极集流板 202， 并通过负极极耳 213流 入负极极柱 215，在电池的外部回路完成做功后流入正极极 柱 214，通过正极极耳 212 流入正极集流板 201， 最后嵌入正极反应腔中的正极复合材料颗粒内 部。 电池充电的 过程与之相反。在上述放电和充电过程中， 正极反应腔中的正极复合材料颗粒处于连 续流动或间歇流动的状态， 并通过颗粒与颗粒之间的接触以及颗粒与正极 集流板 201 的表面接触， 形成网络状的电子导电通道， 负极反应腔中的负极复合材料颗粒也与此 类似。 这样， 在锂离子液流电池反应器中进行电池的充放电 过程。

电池反应器工作过程中，惰性气体由气体保护 室顶部进气孔 83进入电池反应器， 使得整个电池反应在一个惰性气体保护氛围中 进行， 同时惰性气体通过冷却板 204 的气流通道 241进入电池模块， 不仅能够阻隔外界空气和水蒸气与电极悬浮液 接触， 同时对电池反应器起到很好的散热作用。 当气压达到 0.1-0.2 Mpa后， 惰性气体通过 气体保护室顶部的出气孔 84排放。 惰性气体为氮气或者氩气或者氮氩混合气。

本发明实施例提供的无泵锂离子液流电池的反 应器的集流板采用波形板，能够使 电极悬浮液均匀地流入各个腔室， 改善了电极悬浮液的流动性， 同时增大集流面积， 有效地提高电池的倍率特性； 同时， 本发明的实施例在相邻的两层电池模块的侧面 设 置转向罩， 从而使得电极悬浮液依次流过每层电池模块， 形成 S形流场， 加快了电极 悬浮液的流动速度， 增加了电池反应的有效体积， 可以大大提高电池的能量密度， 同 时使得各层电池模块中的电极悬浮液均匀流过 ； 此外， 本发明的实施例中， 才用气体 保护室和冷却板的气流通道， 使得惰性保护气体能够进入电池反应器，保证 了整个电 池反应器的气密性和散热性， 同时隔绝空气中的水蒸气和氧气与电极悬浮液 接触， 影 响电池的使用； 最后，本发明的实施例具有主流道和分流道的 进液导流室和出液导流 室， 能够减少进液与出液带来的扰流现象对电池均 匀性的影响。 本发明的实施例还提供了一种无泵锂离子液流 电池的电极悬浮液配置方法，所述 方法包括：

步骤 101， 注入电极悬浮液：

具体对于正极悬浮液而言， 首先， 关闭正极进液闽 17， 打开正极配液闽 28， 利 用稳压装置和限压装置将正极配液罐 27和正极出液罐 20的气压稳定在 1〜2个大气 压范围内的一个恒定值， 二者罐内气压值相同； 接着， 将装有正极悬浮液的正极运输 罐 31提升至正极配液罐 27的上方， 利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐 31内 气压， 使正极运输罐 31 内气压高出正极配液罐 27内气压 0〜0.5个大气压并保持恒 定； 再次， 通过密封管道连接正极运输罐 31和正极配液罐 27， 正极运输罐 31 内的 正极悬浮液在气体压力和重力的作用下依次流 入正极配液罐 27、 正极进液罐 16; 最 后， 当正极进液罐 16的正极悬浮液含量达到罐内容量上限时关闭� ��极配液闽 28， 当 正极配液罐 27的正极悬浮液含量达到罐内容量上限时，断� ��正极运输罐 31与正极配 液罐 27的连接， 完成系统注液； 对于负极悬浮液而言， 负极悬浮液的注液方法与上 述正极悬浮液的注液方法一致，且正极进液罐 16与负极进液罐 21气压值相同并恒定； 步骤 102， 电极悬浮液进入电池反应器 18参与电池反应：

利用稳压装置和限压装置调节正极出液罐 20气压与负极出液罐 24气压，使正极 出液罐 20气压与负极出液罐 24气压值相同且低于正极进液罐 16和负极进液罐 21 的气压 0〜0.5个大气压并保持恒定； 同时开启正极进液闽 17、 负极进液闽 22、 正极 出液闽 19、 负极出液闽 23。 正极悬浮液和负极悬浮液在重力和气体压力的 作用下分 别流入正极反应腔 1与负极反应腔 2， 参与电池反应后， 分别流入正极出液罐 20和 负极出液罐 24， 在此过程， 保证正极悬浮液和负极悬浮液同时进入电池反 应器 18; 步骤 103， 反应后对电极悬浮液进行收集：

当正极出液罐 20的正极悬浮液含量达到容量上限时， 需向正极集液罐 30集液， 利用稳压装置和限压装置调节正极集液罐 30内的气压，使正极集液罐 30气压低于正 极出液罐 20气压 0〜0.5个大气压并保持恒定， 打开正极出液闽 19， 正极出液罐 20 内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正 极集液罐 30， 当正极出液罐 20的正极 悬浮液的含量达到罐内容量下限或正极集液罐 30的正极悬浮液的含量达到罐内容量 上限时，利用稳压装置和限压装置将正极集液 罐 30的气压调至与正极出液罐 20气压 一致， 关闭正极集液闽 29， 完成正极悬浮液收集； 对于负极悬浮液而言， 收集控制 步骤与上述正极悬浮液收集控制步骤一致。

步骤 104， 对电极悬浮液进行配液控制： 当正极进液罐 16的正极悬浮液含量达到容量下限时， 需向正极进液罐 16配液， 具体方法为： 利用稳压装置和限压装置调节正极配液罐 27内的气压， 使正极配液罐 27气压高出正极进液罐 16气压 0〜0.5个大气压并保持恒定。 打开正极配液闽 28， 正极配液罐 27内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入� ��极进液罐 16， 当正极进 液罐 16的正极悬浮液的容量达到罐内容量上限或正� ��配液罐 27的正极悬浮液的容量 达到罐内容量下限时， 利用稳压装置和限压装置将正极配液罐 27的气压调至与正极 进液罐 16气压一致， 关闭正极配液闽 28， 完成配液； 对于负极悬浮液而言， 配置控 制步骤与上述正极悬浮液配置控制一致。

步骤 105， 对电极悬浮液进行转移运输控制：

当正极集液罐 30 的正极悬浮液含量达到容量上限时， 或者， 当正极配液罐 27 的正极悬浮液含量达到容量下限时， 需对正极悬浮液进行转移与运输， 具体方法是： 当正极集液罐 30的正极悬浮液含量达到容量上限时， 利用机械提升装置将正极运输 罐 31下降至正极集液罐 30下方， 利用稳压装置和限压装置调节正极运输罐 31内的 气压， 使正极运输罐 31气压低于正极集液罐 30气压 0〜0.5个大气压并保持恒定。 通过密封管道将正极运输罐 31与正极集液罐 30连接， 正极集液罐 30内的正极悬浮 液在重力和气压的作用下流入正极运输罐 31， 直至正极集液罐 30的正极悬浮液到达 容量下限， 或直至正极运输罐 31的正极悬浮液容量达到容量上限时， 将正极运输罐 31与正极集液罐 30断开； 当正极配液罐 27的正极悬浮液含量达到容量下限时， 利 用机械提升装置将正极运输罐 31提升至正极配液罐 27上方，利用稳压装置和限压装 置调节正极运输罐 31气压， 使正极运输罐 31气压高出正极配液罐 27气压 0〜0.5个 大气压并保持恒定，通过密封管道将正极运输 罐 31与正极配液罐 27连接， 正极运输 罐 31 内的正极悬浮液在重力和气压的作用下流入正 极配液罐 27， 待正极运输罐 31 内的正极悬浮液完全流入正极配液罐 27后或正极配液罐 27的正极悬浮液容量达到容 量上限时， 将正极运输罐 31与正极配液罐 27断开； 对于负极悬浮液而言， 转移与运 输控制步骤与上述正极悬浮液转移与运输控制 步骤一致。 由上述实施例可见，本发明实施例提供了的无 泵锂离子液流电池利用重力和气体 压力使电极悬浮液进行循环， 操作简单， 便于控制， 尤其是避免了使用液泵， 减少了 电池循环系统的机械损耗， 降低了液流电池的安全隐患， 同时提高了电池效率和安全 使用性能； 本发明实施例中提供的电极悬浮液的配置方法 中巧妙地使用了绝缘闽门， 通过对绝缘闽门的控制，避免了现有技术中电 池反应器串联时由电极悬浮液的电子导 电性而引起的短路的可能性， 解决了锂离子液流电池难以串联的问题。 另外， 本发明 实施例还提供了无泵锂离子液流电池的电池反 应器， 其中集流板采用波形板， 能够使 电极悬浮液均匀地流入各个腔室， 改善了电极悬浮液的流动性， 同时增大集流面积， 有效地提高电池的倍率特性； 由于在相邻的两层电池模块的侧面设置转向罩 ， 从而使 得电极悬浮液依次流过每层电池模块，形成 S形流场，加快了电极悬浮液的流动速度， 增加了电池反应的有效体积， 可以大大提高电池的能量密度， 同时使得各层电池模块 中的电极悬浮液均匀流过；通过气体保护室和 冷却板的气流通道可以使得惰性保护气 体能够进入电池反应器，保证了整个电池反应 器的气密性和散热性， 同时隔绝空气中 的水蒸气和氧气与电极悬浮液接触， 影响电池的使用； 并且， 由于具有主流道和分流 道的进液导流室和出液导流室，因此能够减少 进液与出液带来的扰流现象对电池均匀 性的影响。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描 述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可， 每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不 同之处。尤其， 对于 系统实施例而言， 由于其基本相似于方法实施例， 所以描述的比较简单， 相关之处参 见方法实施例的部分说明即可。

以上所述的本发明实施方式， 并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本 发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改 进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。