一種堿性鋅釩液流電池的制作方法
【專利摘要】一種堿性鋅釩液流電池，包括依次設(shè)置的正極、正極電解液腔、隔膜、負(fù)極電解液腔、負(fù)極，正極電解液腔中充裝有含四價(jià)釩的堿溶液作為正極電解液，負(fù)極電解液腔中充裝有堿性鋅酸鹽溶液作為負(fù)極電解液。該電池由于正負(fù)極電解液均采用堿性溶液，克服了傳統(tǒng)鋅釩液流電池兩側(cè)電解液pH值不同導(dǎo)致的循環(huán)性能較差的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種堿性鋅釩液流電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種堿性鋅釩液流電池系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]電能是人類社會(huì)生活、生產(chǎn)中必不可缺的二次能源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電的需求越來越高，盡管晝夜之間用電量相差很大，但發(fā)電廠的建設(shè)容量必須滿足用電高峰的需要，建設(shè)規(guī)模大、費(fèi)用高。另一方面，隨著化石能源的不斷枯竭，對(duì)風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源的利用越來越廣泛。為了滿足人們生產(chǎn)和生活的用電需求，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的削峰填谷，減少建設(shè)規(guī)模，提高使用效率，減少投資以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行，性能可靠的儲(chǔ)能技術(shù)，使發(fā)電與用電相對(duì)獨(dú)立極為重要。
[0003]到目前為止，人們已經(jīng)研究了多種儲(chǔ)能技術(shù)，主要可分為化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、物理儲(chǔ)能技術(shù)和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要有鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、超級(jí)電容器、金屬空氣電池、二次電池(鎳氫電池、鋰離子電池)、物理儲(chǔ)能方式主要有揚(yáng)水儲(chǔ)能發(fā)電、壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電和飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，在物理儲(chǔ)能方式中，揚(yáng)水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電用于大容量的電網(wǎng)調(diào)峰、儲(chǔ)能發(fā)電，但受自然環(huán)境的制約大。在化學(xué)儲(chǔ)能方式中，金屬空氣電池、超級(jí)電容器、鉛酸電池等比較適用于小容量的儲(chǔ)能。液流電池是目前較為合適應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能的技術(shù)。
[0004]目前發(fā)展較好的液流電池體系主要有全釩液流電池及鋅溴液流電池兩種。全釩液流電池通過電解液中不同價(jià)態(tài)釩離子在惰性電極上的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的可逆轉(zhuǎn)化。正極為vo2+/vo2+電對(duì)，負(fù)極為v2+/v3+電對(duì)，硫酸為支持電解質(zhì)。因?yàn)檎?fù)極兩側(cè)是不同價(jià)態(tài)的釩離子，避免了離子互串對(duì)電解液的污染，影響電池的性能和壽命。另外，釩電解質(zhì)溶液可以恢復(fù)再生，進(jìn)一步提高了電池系統(tǒng)的壽命，降低運(yùn)行成本。但是全釩液流電池電解液成本和質(zhì)子交換膜成本較高、正負(fù)極仍存在一定程度的交叉污染問題。
[0005]鋅溴液流電池正負(fù)半電池池由隔膜分開，兩側(cè)電解液為ZnBr2溶液。在動(dòng)力泵的作用下，電解液在儲(chǔ)液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。鋅溴液流電池存在的主要問題為溴的污染無法解決。
[0006]鋅釩液流電池2012年被研究人員提出。負(fù)極采用鋅的沉積溶解反應(yīng)，正極為四五價(jià)釩的相互轉(zhuǎn)化，
[0007]但是由于正及電解液采用較高濃度的酸溶液，導(dǎo)致正負(fù)極電解液互混，影響負(fù)極鋅沉積效率，制約了其進(jìn)一步發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過改進(jìn)正極反應(yīng),利用4、5價(jià)鑰;均為兩性金屬的特點(diǎn)，在堿性溶液中可溶，提出了堿性鋅釩液流電池的概念，改善了傳統(tǒng)鋅釩液流電池由于正負(fù)極電解液PH值失衡帶來的循環(huán)性能較差的問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0010]一種堿性鋅釩液流電池，包括依次設(shè)置的正極、正極電解液腔、隔膜、負(fù)極電解液腔、負(fù)極，其特征在于:正極電解液腔中充裝有含四價(jià)釩的堿溶液作為正極電解液，負(fù)極電解液腔中充裝有堿性鋅酸鹽溶液作為負(fù)極電解液。
[0011]正極電解液中四價(jià)釩濃度為0.l-4mol/L，堿濃度為3-lOmol/L。
[0012]正極電解液的配制是采用四價(jià)釩金屬鹽添加于堿溶液中獲得；所述四價(jià)釩金屬鹽為硫酸氧釩或氯化釩。
[0013]所述四價(jià)釩是指四價(jià)釩離子和/或四價(jià)釩絡(luò)合離子。
[0014]正極電解液中的堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰強(qiáng)堿中一種或二種以上。
[0015]正極電解液中含有絡(luò)合劑十六烷基三甲基溴化銨或正丁基溴化銨中的一種或兩種，絡(luò)合劑總含量為0.05-0.2mol/L。
[0016]負(fù)極電解液中鋅酸根離子濃度為0.1-lmol/L，堿濃度為3_10mol/L ；
[0017]負(fù)極電解液的配制是將氧化鋅添加于堿溶液中獲得；所述堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰等強(qiáng)堿中一種或二種以上。
[0018]正極為碳?xì)只蚪饘匐姌O，負(fù)極為碳材料電極或金屬電極；
[0019]所述隔膜包括陽離子膜致密膜、陰離子膜致密膜或多孔膜；
[0020]正極置于正極電解液腔內(nèi)、隔膜、負(fù)極置于負(fù)極電解液腔內(nèi)，正極電解液腔與負(fù)極電解液腔通過隔膜相間隔。
[0021]本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明通過技術(shù)改進(jìn)，提出了堿性鋅釩液流電池的概念本發(fā)明通過改進(jìn)正極反應(yīng)，利用4、5價(jià)釩均為兩性金屬的特點(diǎn)，在堿性溶液中可溶，提出了堿性鋅釩液流電池的概念，改善了傳統(tǒng)鋅釩液流電池由于正負(fù)極電解液PH值失衡帶來的循環(huán)性能較差的問題，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為堿性鋅釩液流電池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]1-正極端板；2_負(fù)極端板；3_正極；4_負(fù)極；5_泵；6_電解液儲(chǔ)罐；7_管路
[0025]圖2為對(duì)比例組裝的鋅釩液流電池循環(huán)性能；
[0026]圖3為實(shí)施例1組裝的鋅釩液流電池循環(huán)性能；
[0027]圖4為實(shí)施例2組裝的鋅釩液流電池循環(huán)性能；
[0028]圖5為實(shí)施例3組裝的鋅釩液流電池循環(huán)性能。

【具體實(shí)施方式】
[0029]一種堿性鋅釩液流電池，包括:正極端板、正極、正極腔、隔膜、負(fù)極腔、負(fù)極、負(fù)極端板、儲(chǔ)液罐、管路、泵。其中正極為碳?xì)只蚨栊越饘?，?fù)極為沉積型電極；正極電解液堿性4價(jià)釩溶液，負(fù)極電解液為堿性鋅酸鹽溶液；充電時(shí)，電解液經(jīng)由泵從儲(chǔ)液罐輸送至正、負(fù)極，正極的活性物質(zhì)4價(jià)釩發(fā)生氧化反應(yīng)生成5價(jià)釩，負(fù)極上鋅離子直接以鋅單質(zhì)形式沉積；放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)5價(jià)釩發(fā)生氧化反應(yīng)生成4價(jià)釩；鋅單質(zhì)氧化為鋅離子經(jīng)由泵回到儲(chǔ)液罐中。該電池由于正負(fù)極電解液均采用堿性溶液，克服了傳統(tǒng)鋅釩液流電池兩側(cè)電解液PH值不同導(dǎo)致的循環(huán)性能較差的缺點(diǎn)。
[0030]對(duì)比例
[0031]正極電解液的制備:
[0032]稱取50g硫酸氧f凡(+4價(jià)f凡)緩慢加入80mL3mol/L硫酸溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0033]負(fù)極電解液的制備:
[0034]稱取50g氧化鋅緩慢加入80mL8mol/L KOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0035]電池組裝:
[0036]單電池依次正極端板、正極3x3cm2碳租、負(fù)極3x3cm2石墨板、負(fù)極端板。單電池結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)見圖1。
[0037]電池測(cè)試:
[0038]電解液流速:5ml/min ;充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2。
[0039]電池性能見圖2。由圖2可知在充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2條件下電池的庫(kù)侖效率由于兩側(cè)電解液pH值的不平衡，導(dǎo)致波動(dòng)及衰減明顯，導(dǎo)致了電池能量效率波動(dòng)及衰減明顯。
[0040]實(shí)施例1
[0041]正極電解液的制備:
[0042]稱取50g硫酸氧釩(+4價(jià)釩)緩慢加入80mL8mol/L KOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0043]負(fù)極電解液的制備:
[0044]稱取50g氧化鋅緩慢加入80mL 8mol/L KOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0045]電池組裝:
[0046]單電池依次正極端板、正極3x3cm2碳租、負(fù)極3x3cm2石墨板、負(fù)極端板。單電池結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)見圖1。
[0047]電池測(cè)試:
[0048]電解液流速:5ml/min ;充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2。
[0049]電池性能見圖3。由圖3可知在充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2條件下電池的能量效率達(dá)到了 75%左右，100次循環(huán)性能未見明顯衰減。
[0050]實(shí)施例2
[0051]正極電解液的制備:
[0052]稱取80g硫酸氧釩(+4價(jià)釩)緩慢加入80mL 6mol/L NaOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0053]負(fù)極電解液的制備:
[0054]稱取50g氧化鋅緩慢加入80mL 6mol/L KOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤海粶囟冉抵潦覝睾蠖ㄈ?0ml待用。
[0055]電池組裝:
[0056]單電池依次正極端板、正極3x3cm2碳租、負(fù)極3x3cm2鋅板、負(fù)極端板。單電池結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)見圖1。
[0057]電池測(cè)試:
[0058]電解液流速:5ml/min ;充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2。
[0059]電池性能見圖4。由圖4可知在充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2條件下電池的能量效率達(dá)到了 74%左右，100次循環(huán)性能未見明顯衰減。
[0060]實(shí)施例3
[0061]正極電解液的制備:
[0062]稱取70g硫酸氧釩(+4價(jià)釩)緩慢加入80mL 5mol/L L1H溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0063]負(fù)極電解液的制備:
[0064]稱取50g氧化鋅緩慢加入80mL 5mol/L KOH溶液中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬蟮玫匠吻宓娜芤?；溫度降至室溫后定?0ml待用。
[0065]電池組裝:
[0066]單電池依次正極端板、正極3x3cm2碳租、負(fù)極3x3cm2鋅板、負(fù)極端板。單電池結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)見圖1。
[0067]電池測(cè)試:
[0068]電解液流速:5ml/min ;充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2。
[0069]電池性能見圖5。由圖5可知在充放電電流密度20mA/cm2 ;充電容量20mAh/cm2條件下電池的能量效率達(dá)到了 76%左右，500次循環(huán)性能未見明顯衰減。
【權(quán)利要求】
1.一種堿性鋅釩液流電池，包括依次設(shè)置的正極、正極電解液腔、隔膜、負(fù)極電解液腔、負(fù)極，其特征在于:正極電解液腔中充裝有含四價(jià)釩的堿溶液作為正極電解液，負(fù)極電解液腔中充裝有堿性鋅酸鹽溶液作為負(fù)極電解液。
2.如權(quán)利要求1所述的一種堿性鋅釩液流電池，其特征在于:正極電解液中四價(jià)釩濃度為 0.l-4mol/L,喊濃度為 3-lOmol/L。
3.如權(quán)利要求1所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于: 正極電解液的配制是采用四價(jià)釩金屬鹽添加于堿溶液中獲得；所述四價(jià)釩金屬鹽為硫酸氧釩或氯化釩。
4.如權(quán)利要求1或2所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于:所述四價(jià)釩是指四價(jià)釩離子和/或四價(jià)釩絡(luò)合離子。
5.如權(quán)利要求1-3所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于:正極電解液中的堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰強(qiáng)堿中一種或二種以上。
6.如權(quán)利要求1或2所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于:正極電解液中含有絡(luò)合劑十六烷基三甲基溴化銨或正丁基溴化銨中的一種或兩種，絡(luò)合劑總含量為0.05-0.2mol/L0
7.如權(quán)利要求1或2所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于: 負(fù)極電解液中鋅酸根離子濃度為0.Ι-lmol/L，堿濃度為3-lOmol/L ； 負(fù)極電解液的配制是將氧化鋅添加于堿溶液中獲得；所述堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰等強(qiáng)堿中一種或二種以上。
8.如權(quán)利要求1所述的堿性鋅釩液流電池，其特征在于:正極為碳?xì)只蚪饘匐姌O，負(fù)極為碳材料電極或金屬電極； 所述隔膜包括陽離子膜致密膜、陰離子膜致密膜或多孔膜； 正極置于正極電解液腔內(nèi)、隔膜、負(fù)極置于負(fù)極電解液腔內(nèi)，正極電解液腔與負(fù)極電解液腔通過隔膜相間隔。
【文檔編號(hào)】H01M8/18GK104300169SQ201310306674
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】賴勤志, 張華民, 程元徽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所