一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池制造技术

本发明专利技术公开了一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，以含有喋啶结构式的有机分子作为负极；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸溶液、碱溶液和盐的水溶液中的一种或多种混合作为电解质；以全氟磺酸‑聚四氟乙烯共聚物膜作为离子交换膜隔膜；以两片铜板作为电池的集流体；以开有流道的石墨板作为正极和负极的流场板；以碳纸、石墨毡或金属电极作为电池的电极；该喋啶类水系有机氧化还原液流电池具有功率能量设计灵活性、低成本、可规模化组装应用等优点，非常适用于大规模储能应用。

A Pyridine-type Water-based Organic Redox Flow Battery

【技术实现步骤摘要】
一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池
本专利技术属于大规模储能领域，特别涉及一种喋啶类水系有机的氧化还原液流电池。
技术介绍
自从第一次工业革命以来，化石能源如石油，煤炭等不可再生资源的消耗逐年增加，在带来日益严峻的能源危机的同时，其中所含硫化物，氮氧化物以及温室气体对地球带来的环境破坏以及温室效应已经成为人们不得不面对的危机。风能，潮汐能和太阳能等清洁可再生资源的利用和收集被视为解决这一问题的方案，然而这些能源的间歇性和时空的不确定性以及在峰值和谷值的电流巨大波动性对电网的冲击则阻碍了将这些能源技术的进一步发展和利用。氧化还原液流电池被视为解决这一问题的方案，作为一种低成本，安全，高效的能量存储装置，其可在峰值将风能，太阳能储存起来，然后在谷值将能量释放，从而为这些新能源技术并入智能集成电网提供了可能。典型的液流电池包括几个主要组成部分：储液罐，电池堆和泵。液流电池的活性物质储存在储液罐中，通过泵的驱动达到电池堆，并在电池堆发生氧化还原反应，电子通过集流体流向外电路，通过对其的规模化生产，液流电池的电池组的能量可达到兆瓦级，适合用于大规模储能技术。现有的液流电池技术中，已达到商业化应用级别的主要为全钒液流电池和锌溴液流电池，但其中金属离子对于膜的穿梭效应导致电池的效率降低以及容量衰退，此外，其中所用酸性电解质以及溴的水溶液会对储液罐及管道具有腐蚀作用同时该装置的安全性能也有待于进一步的提升。对于水系有机氧化还原液流电池，其优势在于：1.该电池的能量和功率可灵活设计和调整。其能量密度取决于储液罐的体积，其体积越大，所装溶液越多，则能量越多；而功率密度则取决于电池堆的面积大小，其面积越大，则其所允许的电流越大，在电压固定的情况下，输出功率也就越大。电池堆和储液罐互相独立，可根据实际情况灵活设计电池结构，调控功率和能量要求。2.相较于传统的贵金属离子液流电池如全钒液流电池和铁镉液流电池，有机活性物质由于其元素来源于自然界中丰富存在的碳，氮，氧，硫等元素，成本可大幅降低，适合用于大规模储能。3.对于水系液流电池而言，由于所用电解质为水溶液，相较于有机溶剂，更加安全和环保。在遇到碰撞和高温时，不易燃烧，更加安全，适合于居民区和住宅的储能应用4.对于有机分子而言，其结构具有多样性，通过在核心结构上接枝官能团以及对其官能团进行修饰，可极大的改善该活性物质的电极电势和溶解性，最终改善电池的工作电压和能量密度。近年来，苯醌类，TEMPO类，紫罗碱类，嗪类，二茂铁类活性物质已被报道用于水系有机液流电池，并表现出较好的电化学性能。而将喋啶类活性分子作为水系有机液流电池的负极，并未报道。
技术实现思路
本专利技术提供的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，解决了现有的液流电池的成本过高，同时，现有技术中尚未利用喋啶类活性物质组装高电压水系有机液流电池。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，以含有喋啶结构式的有机分子作为负极；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸溶液、碱溶液和盐的水溶液中的一种或多种混合作为电解质；以全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物膜作为离子交换膜隔膜；以两片铜板作为电池的集流体；以开有流道的石墨板作为正极和负极的流场板；以碳纸、石墨毡或金属电极作为电池的电极。优选地，含有喋啶结构式的有机分子在电解质中的溶解度为0.1～10mol/L。优选地，含有喋啶结构式的有机分子为喋啶或喋啶类衍生物。优选地，喋啶类衍生物包括叶酸、无水茶碱和蝶酸。优选地，酸性水溶液为硫酸、硝酸、磷酸或盐酸。优选地，中性水溶液为氯化钠、氯化钾、硝酸钾、磷酸钾、硫酸钾、硝酸钠、硫酸钠或磷酸钠。优选地，碱性水溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钡。优选地，当电解质为碱性水溶液时，所用液流电池的正极为亚铁氰化钾水溶液；当电解质为中性水溶液时，所用液流电池的正极为TEMPO水溶液；当电解质为酸性水溶液时，所用液流电池的正极为苯醌磺酸钾水溶液。一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池的组装方法，基于所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，包括以下步骤：以含有喋啶结构式的有机分子作为负极；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸溶液、碱溶液和盐的水溶液中的一种或多种混合作为电解质；电池的组装顺序依次为铜集流体、石墨板流道、碳纸/石墨毡电极、全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物膜、碳纸/石墨毡电极、石墨板流道、铜集流体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，将含有喋啶结构式的有机分子作为水系有氧还原液流电池的负极，利用的是喋啶类活性分子能够发生可逆的氧化还原反应，并且具有出较好的可逆性和优异的动力学性能。特别的，则碱性的电解质条件下，喋啶类活性物质可表现较负的电位，与合适的正极匹配可以匹配出高电压的水系有机液流电池。此外，喋啶类活性物质广泛存在于自然界中，并且由于喋啶类分子主要组成元素为碳，氮，氧，元素来源便宜且丰富，因而在大规模生产和制造后该喋啶类水系有机氧化还原液流电池的成本将会相较于现有的钒等重金属离子液流电池大幅降低，可用于大规模储能技术。附图说明图1为本专利技术实施例1中所制得的叶酸溶液循环伏安法测试结果，以银/氯化银为参比电极，在扫速为25mV/s，50mV/s，80mV/s以及100mV/s下的循环伏安测试得到结果。图2为本专利技术实施例1中所制得的叶酸溶液在循环伏安法测试中不同扫速下的峰值电流与扫速平方根所做线性拟合。图3为本专利技术实施例2中所制得的无水茶碱溶液循环伏安法测试结果，以银/氯化银为参比电极，在扫速为25mV/s，50mV/s，80mV/s以及100mV/s下的循环伏安测试得到结果。图4为本专利技术实施例2中所制得的无水茶碱溶液在循环伏安法测试中不同扫速下的峰值电流与扫速平方根所做线性拟合。图5为本专利技术实施例3中所制得的蝶酸溶液循环伏安法测试结果，以银/氯化银为参比电极，在扫速为25mV/s，50mV/s，80mV/s以及100mV/s下的循环伏安测试得到结果。图6为本专利技术实施例3中所制得的蝶酸溶液在循环伏安法测试中不同扫速下的峰值电流与扫速平方根所做线性拟合。图7为本专利技术实施例4中所组装电池的不同电流放电情况下的电流-容量-库伦效率图。图8为本专利技术实施例4中所组装电池的不同电流充电情况下的电流-容量-库伦效率图。图9为本专利技术实施例6中所组装电池在25mA的电流进行充放电下的第二圈的时间-电压曲线。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，液流电池以喋啶及喋啶类衍生物作为负极活性物质发生氧化还原反应进行充放电；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸性水溶液、中性水溶液和碱性水溶液中的一种或多种混合作为电解质；以全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物膜作为离子交换膜隔膜，两片铜板作为电池的集流体，开有流道的石墨板作为正极和负极的流场板，以碳纸或者石墨毡作为电池的电极。喋啶的结构式为：其中，在两个芳香环中含有四个氮原子，其中两个非对称氮原子可起到稳定结构的作用。喋啶类衍生物的结构式为：其中，R1、R2、R3和R4相同或不同，各自为–N(CH3)2、–NH2、–OCH3、–OH、–SH、–CH本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，以含有喋啶结构式的有机分子作为负极；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸溶液、碱溶液和盐的水溶液中的一种或多种混合作为电解质；以全氟磺酸‑聚四氟乙烯共聚物膜作为离子交换膜隔膜；以两片铜板作为电池的集流体；以开有流道的石墨板作为正极和负极的流场板；以碳纸、石墨毡或金属电极作为电池的电极。

【技术特征摘要】
1.一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，以含有喋啶结构式的有机分子作为负极；以亚铁氰化钾、TEMPO或苯醌磺酸钾作为正极；酸溶液、碱溶液和盐的水溶液中的一种或多种混合作为电解质；以全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物膜作为离子交换膜隔膜；以两片铜板作为电池的集流体；以开有流道的石墨板作为正极和负极的流场板；以碳纸、石墨毡或金属电极作为电池的电极。2.根据权利要求1所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，含有喋啶结构式的有机分子在电解质中的溶解度为0.1～10mol/L。3.根据权利要求1所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，含有喋啶结构式的有机分子为喋啶或喋啶类衍生物。4.根据权利要求3所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，喋啶类衍生物包括叶酸、无水茶碱和蝶酸。5.根据权利要求1所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池，其特征在于，酸性水溶液为硫酸、硝酸、磷酸或盐酸。6.根据权利要求1所述的一种喋啶类水系有机氧化还原液流电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋江选，雷佳锋，范豪，李宏斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61