全铁液流电池、单电池、电堆和电解液的制作方法

1.本技术涉及储能技术领域，尤其涉及一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液。

背景技术：

2.液流电池是双碳目标下新型电力系统的支撑技术之一，也是新能源高渗透率落地的支撑技术之一。液流电池具有“高安全、大规模、长时长、长寿命、弹性配置”等独特优势。当前主要的液流电池技术路线包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等，其中全钒液流电池技术最为成熟，处于产业化应用前期。当前液流电池的主要挑战是成本高，主要是由于物料清单(bill of materials，bom)成本高，其中电解液占总成本的40％-50％，电堆占20％左右。开发低成本液流电池是该技术路线大规模产业化的关键。

3.全铁液流电池是最具备成本优势的电化学储能技术路线之一，同时在初始投资成本上也具优势。国外在全铁液流电池技术领域起步早，率先实现示范应用，我国相关研究处于小试和中试阶段。当前主要技术瓶颈在于负极动力学缓慢、产生枝晶，导致电堆功率密度低、容量低和效率低。开发新型电解液、高性能电堆和电池储能系统是影响当前产业发展的关键技术和主要技术发展方向。

技术实现要素：

4.本技术提供一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液，以防止负极发生反应产生的枝晶刺破隔膜，提高电池的可靠性。

5.第一方面，提供了一种全铁液流单电池，包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；所述负极包括堆叠的多个电极材料，所述多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，所述孔道与所述隔膜之间的夹角大于0

°

且小于180

°

；所述负极发生反应产生的反应物质沉积在所述孔道内表面；所述电极材料包括以下至少一种：铁、碳。

6.在该方面中，负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性。

7.在一种可能的实现中，所述孔道与所述隔膜之间的夹角为90

°

。

8.在该实现中，在负极发生反应、进行电池充电时，二价铁离子fe

2+

转化为单质铁fe，单质铁沉积在电极孔道内表面。随着反应的进行，沉积的单质铁的量逐渐增加，并均匀附着在负极的孔道表面，若局部因为液体流动、电流分布不匀等因素导致单质铁分布不均匀，或者局部富集，富集起来的单质铁形成枝晶，因为孔道的取向作用，枝晶会沿着垂直孔内壁的方向生长，这样产生的枝晶被控制在电极孔内，生长方向也得到有效控制，不会产生垂直隔膜方向、生长尺寸较大的、可能刺入隔膜的枝晶。该电极很好发挥抑制和控制枝晶，保护隔膜的作用。同时做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能。

9.在另一种可能的实现中，所述负极与所述隔膜之间还包括惰性层，所述惰性层具有多孔结构；所述惰性层用于阻隔所述负极脱落的沉积物到达所述隔膜，以及所述惰性层还用于传递电解液。

10.在该实现中，负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层，可以进一步隔绝电极与隔膜，增加二者之间的间隙。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，消除潜在的电极固态物质对隔膜的物理损伤，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命。

11.在又一种可能的实现中，所述孔道的孔径范围为10nm-10um。

12.在又一种可能的实现中，所述惰性层的厚度为0.1um-20um。

13.在该实现中，该惰性层为超薄惰性层。惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命。

14.在又一种可能的实现中，所述惰性层包括以下至少一种材料：多孔颗粒、碳纤维纸、碳纳米管、石墨烯。

15.在又一种可能的实现中，所述隔膜用于隔绝所述正极和所述负极中的活性物质和水分子，以及用于允许电解液中的支持电解质正/负离子通过。

16.在该实现中，该隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作。

17.在又一种可能的实现中，所述隔膜包括以下至少一种材料：非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜。

18.在该实现中，与其他液流电池电解液不同，本技术中使用的电解液不具有强腐蚀性，所以对隔膜材料的耐腐蚀性要求低，并且对超薄惰性层可以提供一定支撑作用，并且发挥阻隔活性物质和联通离子通道的部分功能，因此可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

19.在又一种可能的实现中，所述隔膜的厚度为1um-120um，孔径1nm-1um。

20.在又一种可能的实现中，所述正极为多孔碳材料。

21.在又一种可能的实现中，所述正极包括以下至少一种材料：石墨纸、石墨毡、石墨布、碳毡、碳布、碳纸。

22.在该实现中，正极作为正极反应发生的载体，具备低活化极化、低欧姆极化和低浓差极化，高可逆性和高电流密度的特征。

23.在又一种可能的实现中，所述负极双极板、所述正极双极板包括碳材料、金属材料、聚乙烯(polyethylene，pe)/聚丙烯(polypropylene，pp)等热熔高分子复合材料，所述负极双极板、所述正极双极板用于收集电流。

24.第二方面，提供了一种全铁液流电堆，包括至少一个如第一方面或第一方面的任意一种实现所述的全铁液流单电池，所述至少一个全铁液流单电池串联和/或并联连接。

25.在该方面中，该电堆中的单电池中的负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与

孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性；

26.且负极做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能；

27.负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命；

28.其中的隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作；

29.可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

30.示例性地，电堆由5-100个单电池串联或分组串联而成。

31.第三方面，提供了一种全铁液流电池，包括如第二方面所述的电堆、装有正极电解液的第一储液容器、装有负极电解液的第二储液容器、第一电解液循环泵和第二电解液循环泵；所述第一储液容器中的正极电解液在所述第一电解液循环泵的作用下输入所述电堆的正极和从所述电堆的正极输出；所述第二储液容器中的负极电解液在所述第二电解液循环泵的作用下输入所述电堆的负极和从所述电堆的负极输出。

32.在该方面中，该全铁液流电池中的单电池的负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性；

33.且负极做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能；

34.负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命；

35.其中的隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作；

36.可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

37.第四方面，提供了一种电解液，包括正极电解液和负极电解液；其中，所述负极电解液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、负极支持电解质、添加剂；所述正极电解

液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、铁盐、正极支持电解质。

38.在该方面中，fe基正负极活性物质来源广泛，无资源限制对电解液bom成本低，有助于实现液流电池的低成本化，且反应条件温和，化学环境温和，腐蚀性弱，其他材料要求低，可以使用非氟多孔隔膜材料，进一步降低电池成本；电极反应活性好，电流密度≥120ma cm-2

，功率密度≥100mw cm-2

，面比电阻低，电池能量效率高。

39.在一种可能的实现中，所述负极铁基活性物质的浓度≥0.5mol l-1

。

40.在另一种可能的实现中，所述负极铁基活性物质的浓度为0.5-3mol l-1

。

41.在又一种可能的实现中，所述负极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、氯化铵、硫酸盐、水溶性有机盐。

42.在又一种可能的实现中，所述负极支持电解质的浓度是0.1-10mol l-1

。

43.在又一种可能的实现中，所述添加剂包括以下至少一种物质：二甲基亚砜、硫代硫酸钠、磺酸盐。

44.在又一种可能的实现中，所述正极铁基活性物质的浓度为0.5-12mol l-1

。

45.在又一种可能的实现中，所述正极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、硫酸盐、水溶性有机盐。

46.在又一种可能的实现中，所述负极支持电解质的浓度为0.1-10mol l-1

。

47.在又一种可能的实现中，所述亚铁盐包括以下至少一种物质：氯化亚铁、硫酸亚铁、有机络和铁。

48.在又一种可能的实现中，所述正极电解液、所述负极电解液的ph值范围为1-14。

附图说明

49.图1为浆液电极的示意图；

50.图2为基于浆液电极的全铁液流电池的结构示意图；

51.图3为本技术实施例提供的一种全铁液流电池电堆和单电池的结构示意图；

52.图4为本技术实施例提供的全铁液流单电池中的负极的示意图。

具体实施方式

53.下面结合本技术实施例中的附图对本技术实施例进行描述。

54.液流电池由电解液、电堆、控制系统(包括电池管理系统(battery management system，bms)、变流器等)等材料和部件构成。其中，电解液由活性物质、支持电解液和溶剂构成。电堆由多个单电池构成。单电池一般由正/负极、隔膜、正/负极双极板构成。

55.当前的全铁液流电池技术路线包括基于浆液电极的全铁液流电池和全溶性全铁液流电池。其中，前者处于产业化阶段，是主要的技术路线；后者还处于技术研发阶段。

56.基于浆液电极的全铁液流电池正极是三价铁(fe

3+

)和二价铁(fe

2+

)的电极反应；负极是二价铁(fe

2+

)和零价铁(fe0)的电极反应。充放电过程中，正极反应发生在溶液中；负极反应在充放电过程中会发生fe的固/液相变，相变过程中会产生枝晶，同时可能发生副反应。

57.为了克服枝晶的影响，提出了一种浆液电极。如图1所示，为浆液电极的示意图，浆液电极由碳颗粒电极、铁基活性物质和溶剂构成。如图2所示，为基于浆液电极的全铁液流

电池的结构示意图，在充放电过程中，铁基活性物质在碳颗粒电极表面发生溶解和沉积，同时浆液电极被通过输送泵输送至外部的储罐中，在电极腔室和储罐间循环，目的是控制枝晶的生长。这种电极对抑制枝晶生长有一定的效果，铁基活性物质在发生沉积时，被分散附着在不同的碳颗粒表面，相较于大面积整体的碳电极表面沉积的铁单质，这类电极对其进行了离散化。但是，对于单个的碳颗粒，还是无法克服其表面沉积的单质铁的富集，从而在碳颗粒表面生成枝晶。因此该电极还是存在一定的缺陷，无法从根本上抑制枝晶的产生，因此需要开发新的技术，抑制枝晶的产生和生长。

58.由此可见，基于浆液电极的全铁液流电池，负极发生二价铁和零价铁的相变反应，反应速率较液相电极反应慢，同时在电极反应相变过程中，容易导致单质铁局部汇集，产生枝晶，刺破隔膜，造成电池短路，导致电池效率降低，甚至造成电池的损坏。

59.有鉴于此，本技术实施例提供一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液，该全铁液流单电池包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；负极包括堆叠的多个电极材料，多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，孔道与隔膜之间的夹角大于0

°

且小于180

°

；负极发生反应产生的反应物质沉积在孔道内表面；电极材料包括以下至少一种：铁、碳。还公开了相应的全铁液流电堆、电池和电解液。采用本技术实施例的方案，负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性。

60.以下由特定的具体实施例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本技术的其他优点及功效。虽然本技术的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此申请的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作申请介绍的目的是为了覆盖基于本技术的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提高对本技术的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本技术也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本技术的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

61.以下，如果有用到，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“上”、“下”、“左”、“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

62.在本技术中，一结构大致呈某一形状，指从宏观看该结构总体呈现该形状，并在局部可能具有调整。如大致呈方形，可以理解为其中一边为弧形而非直线的形状也包括在范围内。一特征与另一特征大致同轴，可以理解为两特征的轴线之间的距离不超过任一特征在垂直于轴线的尺寸的20％。

63.在本技术中，如果有用到，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以说直接相连，也可以通过中间媒介间接连接。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

64.在下述实施例结合示意图进行详细描述时，为便于说明，表示器件局部结构的图

会不依一般比例作局部放大，而且该示意图只是示例，其在此不应限制本技术保护的范围。

65.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。

66.如图3所示，为本技术实施例提供的一种全铁液流电池电堆和单电池的结构示意图。该全铁液流单电池包括依次堆叠的(负极)双极板、(取向)负极、隔膜、正极和(正极)双极板。

67.如图4所示，为本技术实施例提供的全铁液流单电池中的负极的示意图，上述负极包括堆叠的多个电极材料。上述多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，上述孔道与上述隔膜之间的夹角大于0

°

且小于180

°

。上述负极发生反应产生的反应物质沉积在上述孔道内表面。上述电极材料包括以下至少一种：铁(fe)、碳(c)。即取向负极可以由多孔取向的fe、c等材料一种或几种构成。

68.示例性地，上述孔道的孔径范围为10nm-10um。

69.本实施例中的负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性。

70.其中，该单电池的反应如下：

71.电池反应(1.21v)：

72.进一步地，上述孔道与上述隔膜之间的夹角为90

°

。即本实施例的负极为多孔取向电极，孔道垂直隔膜方向。

73.在负极发生反应、进行电池充电时，二价铁离子fe

2+

转化为单质铁fe，单质铁沉积在电极孔道内表面。随着反应的进行，沉积的单质铁的量逐渐增加，并均匀附着在负极的孔道表面，若局部因为液体流动、电流分布不匀等因素导致单质铁分布不均匀，或者局部富集，富集起来的单质铁形成枝晶，因为孔道的取向作用，枝晶会沿着垂直孔内壁的方向生长，这样产生的枝晶被控制在电极孔内，生长方向也得到有效控制，不会产生垂直隔膜方向、生长尺寸较大的、可能刺入隔膜的枝晶。该电极很好发挥抑制和控制枝晶，保护隔膜的作用。同时做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能。

74.其中，负极反应的公式如下：

75.负极反应(-0.44v)：

76.进一步地，上述负极与上述隔膜之间还包括惰性层，上述惰性层具有多孔结构。上述惰性层用于阻隔上述负极脱落的沉积物到达上述隔膜，以及上述惰性层还用于传递电解液。

77.在本实施例中，负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层，可以进一步隔绝电极与隔膜，增加二者之间的间隙。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可

以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，消除潜在的电极固态物质对隔膜的物理损伤，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命。

78.进一步地，上述惰性层的厚度为0.1um-20um。

79.即该惰性层为超薄惰性层。惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命。

80.进一步地，上述惰性层包括以下至少一种材料：多孔颗粒、碳纤维纸、碳纳米管、石墨烯。

81.进一步地，上述隔膜用于隔绝上述正极和上述负极中的活性物质和水分子，以及用于允许电解液中的支持电解质正/负离子通过。

82.该隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作。

83.进一步地，上述隔膜包括以下至少一种材料：非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜。

84.与其他液流电池电解液不同，本技术中使用的电解液不具有强腐蚀性，所以对隔膜材料的耐腐蚀性要求低，并且对超薄惰性层可以提供一定支撑作用，并且发挥阻隔活性物质和联通离子通道的部分功能，因此可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

85.进一步地，上述隔膜的厚度为1um-120um，孔径1nm-1um。

86.进一步地，上述正极为多孔碳材料。

87.进一步地，上述正极包括以下至少一种材料：石墨纸、石墨毡、石墨布、碳毡、碳布、碳纸。

88.其中，正极反应的公式如下：

89.正极反应(0

·

77v):

90.正极作为正极反应发生的载体，具备低活化极化、低欧姆极化和低浓差极化，高可逆性和高电流密度的特征。

91.进一步地，上述负极双极板、上述正极双极板包括碳材料、金属材料、聚乙烯(polyethylene，pe)/聚丙烯(polypropylene，pp)等热熔高分子复合材料，上述负极双极板、上述正极双极板用于收集电流。

92.本实施例还提供了一种全铁液流电堆。如图3所示，该全铁液流电堆包括至少一个上述全铁液流单电池，上述至少一个全铁液流单电池串联和/或并联连接。

93.该电堆中的单电池中的负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性；

94.且负极做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反

应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能；

95.负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命；

96.其中的隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作；

97.可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

98.示例性地，电堆由5-100个单电池串联或分组串联而成。

99.本实施例还提供了一种全铁液流电池，包括上述电堆、装有正极电解液的第一储液容器、装有负极电解液的第二储液容器、第一电解液循环泵和第二电解液循环泵；上述第一储液容器中的正极电解液在上述第一电解液循环泵的作用下输入上述电堆的正极和从上述电堆的正极输出；上述第二储液容器中的负极电解液在上述第二电解液循环泵的作用下输入上述电堆的负极和从上述电堆的负极输出。

100.示例性地，上述储液容器可以是储罐。正负极电解液分别储存在外置的正负极储罐中，并通过泵输送到相应的电极中，反应后物质返回相应储罐中。

101.在本实施例中，该全铁液流电池中的单电池的负极中的孔道具有取向作用，枝晶会沿着与孔内壁具有一定角度的方向生长，这样产生的枝晶被控制在孔道内，可以防止刺破隔膜，导致电池短路，提高了电池的可靠性；

102.且负极做为负极反应的发生的载体，电极的取向结构，有效控制电解液传递，对反应物和产物的传递更为有效，可以提升电极反应活性，降低低活化极化、欧姆极化和浓差极化，从而提升电极反应电流密度，提升电池性能；

103.负极与隔膜之间还包括惰性层，惰性层具有多孔结构，可以作为电极和隔膜的缓冲层。惰性层的骨架具有阻隔负极可能脱落的沉积物(如铁颗粒、铁枝晶)的作用，惰性层的孔内用于传递电解液，可以发挥连接隔膜和电极离子通道的作用，既隔绝了电极固态物质可能对隔膜造成的伤害，又联通了离子，有助于延长电池的使用寿命；

104.其中的隔膜为多孔膜材料。多孔膜材料的孔道允许电解液中的支持电解质正/负离子通过，从而联通正负极离子电路，同时隔绝两侧活性物质和水分子等物质，保证电池在充/放电过程中高效工作；

105.可以使用非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜做为液流电池的隔膜，这些隔膜在该体系中稳定工作，同时原料易得、制备工艺较含氟隔膜材料简单、成本低，可以有效降低电池成本。

106.上述实施例中使用的电解液，包括正极电解液和负极电解液；其中，上述负极电解液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、负极支持电解质、添加剂；上述正极电解液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、铁盐、正极支持电解质。

107.fe基正负极活性物质来源广泛，无资源限制对电解液bom成本低，有助于实现液流电池的低成本化，且反应条件温和，化学环境温和，腐蚀性弱，其他材料要求低，可以使用非氟多孔隔膜材料，进一步降低电池成本；电极反应活性好，电流密度≥120ma cm-2

，功率密度≥100mw cm-2

，面比电阻低，电池能量效率高。

108.进一步地，上述负极铁基活性物质的浓度≥0.5mol l-1

。

109.进一步地，上述负极铁基活性物质的浓度为0.5-3mol l-1

。

110.进一步地，上述负极铁基活性物质的浓度为1-2mol l-1

。

111.进一步地，上述负极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、氯化铵、硫酸盐、水溶性有机盐。

112.进一步地，上述负极支持电解质的浓度是0.1-10mol l-1

。

113.进一步地，上述负极支持电解质的浓度是0.5-5mol l-1

。

114.进一步地，上述负极支持电解质的浓度是1-3mol l-1

。

115.进一步地，上述添加剂包括以下至少一种物质：二甲基亚砜、硫代硫酸钠、磺酸盐。

116.进一步地，上述正极铁基活性物质的浓度为0.5-12mol l-1

。

117.进一步地，上述正极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、硫酸盐、水溶性有机盐。

118.进一步地，上述负极支持电解质的浓度为0.1-10mol l-1

。

119.进一步地，上述亚铁盐包括以下至少一种物质：氯化亚铁、硫酸亚铁、有机络、铁。

120.示例性地，上述亚铁盐为氯化亚铁或硫酸亚铁。

121.示例性地，上述亚铁盐为氯化亚铁。

122.进一步地，上述正极电解液、上述负极电解液的ph值范围为1-14。本实施例中的电解液ph值为中性和近中性。

123.采用本实施例提供的电解液，fe基正负极活性物质来源广泛，无资源限制对电解液bom成本低，有助于实现液流电池的低成本化，且反应条件温和，化学环境温和，腐蚀性弱，其他材料要求低，可以使用非氟多孔隔膜材料，进一步降低电池成本；电极反应活性好，电流密度≥120ma cm-2

，功率密度≥100mw cm-2

，面比电阻低，电池能量效率高。

124.可以理解的是，本技术的实施例中的处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

125.本技术的实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、寄存器、硬盘、移动硬盘、cd-rom或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于asic中。另外，该asic可以位于网络设备或终端设备中。当然，处理器和存

储介质也可以作为分立组件存在于网络设备或终端设备中。

126.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机程序或指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序或指令时，全部或部分地执行本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、网络设备、用户设备或者其它可编程装置。所述计算机程序或指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机程序或指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是集成一个或多个可用介质的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带；也可以是光介质，例如，数字视频光盘；还可以是半导体介质，例如，固态硬盘。

127.在本技术的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

128.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。在本技术的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系；在本技术的公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。

129.可以理解的是，在本技术的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本技术的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。

130.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

131.本技术实施例装置中的部件可以根据实际需要进行合并、划分和删减。本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合或组合。

132.在本技术的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本技术的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。

133.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。技术特征：

1.一种全铁液流单电池，其特征在于，包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；所述负极包括堆叠的多个电极材料，所述多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，所述孔道与所述隔膜之间的夹角大于0

°

且小于180

°

；所述负极发生反应产生的反应物质沉积在所述孔道内表面；所述电极材料包括以下至少一种：铁、碳。2.根据权利要求1所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述孔道与所述隔膜之间的夹角为90

°

。3.根据权利要求1或2所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述负极与所述隔膜之间还包括惰性层，所述惰性层具有多孔结构；所述惰性层用于阻隔所述负极脱落的沉积物到达所述隔膜，以及所述惰性层还用于传递电解液。4.根据权利要求3所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述惰性层的厚度为0.1um-20um。5.根据权利要求3或4所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述惰性层包括以下至少一种材料：多孔颗粒、碳纤维纸、碳纳米管、石墨烯。6.根据权利要求1-5中任一项所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述隔膜用于隔绝所述正极和所述负极中的活性物质和水分子，以及用于允许电解液中的支持电解质正/负离子通过。7.根据权利要求6所述的全铁液流单电池，其特征在于，所述隔膜包括以下至少一种材料：非氟多孔高分子膜、玻璃纤维膜、木质纤维膜。8.一种全铁液流电堆，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-7中任一项所述的全铁液流单电池，所述至少一个全铁液流单电池串联和/或并联连接。9.一种全铁液流电池，其特征在于，包括如权利要求8所述的电堆、装有正极电解液的第一储液容器、装有负极电解液的第二储液容器、第一电解液循环泵和第二电解液循环泵；所述第一储液容器中的正极电解液在所述第一电解液循环泵的作用下输入所述电堆的正极和从所述电堆的正极输出；所述第二储液容器中的负极电解液在所述第二电解液循环泵的作用下输入所述电堆的负极和从所述电堆的负极输出。10.一种如权利要求9所述的电解液，其特征在于，包括正极电解液和负极电解液；其中，所述负极电解液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、负极支持电解质、添加剂；所述正极电解液为包括以下至少一种物质的水溶液：亚铁盐、铁盐、正极支持电解质。11.根据权利要求10所述的电解液，其特征在于，所述负极铁基活性物质的浓度≥0.5mol l-1

。12.根据权利要求11所述的电解液，其特征在于，所述负极铁基活性物质的浓度为0.5-3mol l-1

。13.根据权利要求10-12中任一项所述的电解液，其特征在于，所述负极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、氯化铵、硫酸盐、水溶性有机盐。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的电解液，其特征在于，所述负极支持电解质的浓度是0.1-10mol l-1

。15.根据权利要求10-14中任一项所述的电解液，其特征在于，所述添加剂包括以下至少一种物质：二甲基亚砜、硫代硫酸钠、磺酸盐。16.根据权利要求10-15中任一项所述的电解液，其特征在于，所述正极铁基活性物质的浓度为0.5-12mol l-1

。17.根据权利要求15或16所述的电解液，其特征在于，所述正极支持电解质包括以下至少一种物质：碱金属离子的氯化物、硫酸盐、水溶性有机盐。18.根据权利要求10-17中任一项所述的电解液，其特征在于，所述负极支持电解质的浓度为0.1-10mol l-1

。19.根据权利要求10-18中任一项所述的电解液，其特征在于，所述亚铁盐包括以下至少一种物质：氯化亚铁、硫酸亚铁、有机络、铁。20.根据权利要求10-19中任一项所述的电解液，其特征在于，所述正极电解液、所述负极电解液的ph值范围为1-14。

技术总结

本申请公开了一种全铁液流电池、单电池、电堆和电解液。该全铁液流单电池包括依次堆叠的负极双极板、负极、隔膜、正极和正极双极板；负极包括堆叠的多个电极材料，多个电极材料中的每两个电极材料之间具有孔道，孔道与隔膜之间的夹角大于0

技术研发人员：刘庆华 乐斌 张业正 李进 罗维

受保护的技术使用者：华为数字能源技术有限公司

技术研发日：2023.02.20

技术公布日：2023/5/30