一种以钒的化合物为活性物质的光电化学液流储能电池制造技术

本发明专利技术提供一种以钒的化合物为电活性物质的光电化学储能电池，所述电池充电时，利用光电化学反应（Photoelectrochemical Reaction）实现光能转化为化学能，并储存于电池电解液的活性物质中；电池放电时，则发生电化学反应，实现化学能转化为电能。本发明专利技术将光电化学电池与液流电池进行耦合，克服了太阳能电池无法实现电能储存的不足，实现了太阳能的原位转化、储存及可控利用，系统结构简单，成本低廉，易于小型化；可以规模化放大，适用不同规模的太阳能-储能-发电过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种以钒的化合物为活性物质的光电化学储能电池，更具体的说，一种将光电化学电池与液流电池进行耦合的光电化学储能电池，属于光电化学电池与液流电池的交叉领域。
技术介绍
化石能源耗竭和环境污染是当前人类社会发展所面临的两大难题。为了解决上述难题，一方面，要节能减排，提高能源利用率；另一方面，需要开发和利用可再生能源。但前者只能治标，后者则从根本上解决了能源危机与环境污染问题。现阶段已开发的可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能、水力发电、地热能等，其中太阳能以其清洁、储量丰富、安全等优点，被认为是最具发展潜力的新型能源。太阳能的直接利用主要包括以下几个方面：光伏发电、光热转换、光催化及光降解有机物。其中，光伏发电输出易于传输、通用性强的电能，成为太阳能最主要的利用方式。传统光伏发电系统中的太阳能电池相当于光能转换器，只涉及能量转化，无法实现电能的储存，在没有太阳光照射的时候无法输出能量。因此在光伏发电过程中存在着以下不足：太阳光辐射分散性强，能流密度低；太阳光辐射以流动形态存在，受昼夜更替，气候变化等影响显著，造成发电不连续、电能输出的峰谷值差距大；光伏发电主要集中于白天，而用电高峰集中于夜晚，二者之间存在时间差；太阳能的利用效率较低，成本较高。为了克服光伏发电时间上的供需不平衡、实现电能的可控输出，需要在光伏发电过程中外加一个与光伏发电相配套的储能装置。目前，光伏发电系统通过在太阳能电池外部附加一个二次电池体系实现电能的存储，该系统主要由光伏方阵、控制器、二次电池组、逆变器等设备组成。但该系统工作时涉及光能—电能—化学能—电能多个能量转换步骤，能量损失大、且系统结构庞大复杂、成本高、难于小型化。太阳能的原位转换与储存可以减少能量损失，简化系统结构，因此，研究和开发具有一体化结构的光电化学储能电池系统具有重要的意义。自Fujishima和Honda于1972年首次利用光电化学电池（PEC）技术实现水的分解以来（Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode,Nature,1972,238:37-38），光电化学电池技术受到广泛的关注。在Fujishima研究工作的推动下，Hodes等以CdSe 为光电极、Ag2S为存储电极、活性炭电极为对电极、多硫化物为电解质制备了三电极体系的光电化学储能电池（Photoelectrochemical energy conversion and storage using polycrystalline chalcogenide electrodes,Nature,1976,261:403-404）。在光照条件下，电池的充电反应如下：多硫化物在光电极表面发生氧化反应，同时在活性碳对电极表面发生还原反应，而Ag2S在银电极表面发生还原反应；在暗态下，电池的放电反应如下：多硫化物在活性炭对电极表面继续发生还原反应，而Ag则在存储电极上发生氧化反应。该电池结构简单，但存在以下不足：由于未将正负极电解液隔离，充电过程中，对电极表面多硫化物的还原反应，造成放电时电池库伦效率下降；对电极的催化活性较低；存储电极的存储容量有限；电池的开路电压较低（0.15V）。为了减小充电时的副反应、降低电解液的交叉污染及提高电池的库伦效率，Sharon等以BaTiO3为光电极、铂为对电极、Ce4+/Ce3+为正极电解质、Fe3+/Fe2+为负极电解质、正负极电解质用盐桥连通制备了三电极体系的光电化学储能电池(A rechargeable photo-electrochemical solar cell,International Journal of Hydrogen Energy,1982,7(7)：557-562)。该电池中，暗池的对电极为铂电极，活性物质为Fe3+/Fe2+氧化还原电对，存在于溶液中。在光照条件下，将光电极与暗池中的对电极连接，电池的充电反应如下：Ce3+在光电极表面发生氧化反应生成Ce4+，而Fe3+在铂电极表面发生还原反应Fe2+；在暗态下，将光池、暗池中的对电极Pt连接，电池的放电反应如下：Ce4+在铂电极表面发生还原反应，而Fe2+则在铂电极上发生氧化反应。该系统存在以下不足：未有理想的离子选择性隔膜，存在活性物质的交叉污染；太阳能的转化率较低；负极Fe3+/Fe2+电解液不稳定，电池稳定性差。1991年，教授开发出染料敏化的TiO2太阳电池（DSC）,该太阳电池以其简单制作工艺、低成本等优势赢得了人们的广泛重视（Alow-cost,high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films，Nature，1991，353：737-740）。Nagaia和Segawa将染料敏化电池与PPy固相存储电极相结合制备了新型光电化学储能电池（Energy-storable dye-sensitized solar cell with a polypyrrole electrode，Chemical Communications,2004,974–975）。但该类电池受电池面积及活性物质的担载量影响，电池存储容量有限，不利于规模化应用。针对以固相化合物为活性物质的电池存储容量低的不足，杨汉希和高学平等开发出光可充液流电池（A Solar Rechargeable Flow Battery Based on Photoregeneration of Two Soluble Redox Couples，ChemSusChem，2013，6：802-806），正、负极活性物质分别为I3-/I-、[Fe(C10H15)2]+/Fe(C10H15)2，电池放电容量约为40uAh，电池库伦效率达62%。该电池采用的隔膜为LiSICON无机膜，造成电池的内阻增大。综上所述，已有的光电化学储能电池太阳能主要存在着以下不足：光电极的稳定性较低，在光充电过程中，光电极自身易发生光腐蚀或者被溶液腐蚀；存储电极的存储容量有限；多数对电极为贵金属Pt电极，造成成本的升高；所用的隔膜的离子选择性不理想，电解液易发生交叉污染，或者由于无机LiSICON隔膜的使用造成电池内阻的增大；电池的开路电压一般低于0.7V，电池的放电功率较小；电池的寿命有限。
技术实现思路
本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以钒的化合物为电活性物质的光电化学储能电池，其特征在于：所述光电化学储能电池充电时，利用光电化学反应（Photoelectrochemical Reaction）实现光能转化为化学能，并储存于电池的活性物质中；电池放电时，则发生电化学反应，实现化学能转化为电能；电池的活性物质存在于电池的电解液中，于电池的正、负极腔室内均填充有电解液，电解液的填充包括下述四种情形任意之一：(1).正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且每次充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且每次充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；或者负极腔室内填充有以V3+、V2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；或者(2).正极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；负极腔室内填充有以V3+、V2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；或者(3).正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；负极腔室内填充有Fe3+、Fe2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Fe3+；或者负极腔室内填充有I3‑、I‑中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质I3‑；或者(4).负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；正极腔室内填充有以Br3‑、Br‑中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Br‑；正极腔室内填充有以I3‑、I‑中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质I‑；或者正极腔室内填充有Fe3+、Fe2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Fe2+；或者正极腔室内填充有Mn3+、Mn2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Mn2+；或者正极腔室内填充有Ce4+、Ce3+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Ce3+。...

【技术特征摘要】
1.一种以钒的化合物为电活性物质的光电化学储能电池，其特
征在于：
所述光电化学储能电池充电时，利用光电化学反应
（Photoelectrochemical Reaction）实现光能转化为化学能，并储存于
电池的活性物质中；电池放电时，则发生电化学反应，实现化学能转
化为电能；
电池的活性物质存在于电池的电解液中，于电池的正、负极腔室
内均填充有电解液，电解液的填充包括下述四种情形任意之一：
(1).正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活性物
质的电解液，且每次充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；
负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的
电解液，且每次充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；或者负
极腔室内填充有以V3+、V2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，
且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；
或者(2).正极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活
性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；负
极腔室内填充有以V3+、V2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，
且充电的初始状态电解液中存在活性物质V3+；
或者(3).正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活
性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；
负极腔室内填充有Fe3+、Fe2+中的一种或者两种为活性物质的电
解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Fe3+；或者负极腔室
内填充有I3-、I-中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初
始状态电解液中存在活性物质I3-；
或者(4).负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活
性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；
正极腔室内填充有以Br3-、Br-中的一种或者两种为活性物质的电
解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Br-；正极腔室内填
充有以I3-、I-中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始
状态电解液中存在活性物质I-；或者正极腔室内填充有Fe3+、Fe2+中的
一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在
活性物质Fe2+；或者正极腔室内填充有Mn3+、Mn2+中的一种或者两种
为活性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Mn2+；
或者正极腔室内填充有Ce4+、Ce3+中的一种或者两种为活性物质的电
解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质Ce3+。
2.根据权利要求1所述的光电化学储能电池，其特征在于：
所述的光电化学储能电池包括一池体，池体内部被隔膜分为左右
两个腔室，其中一个为正极腔室、另一个为负极腔室，构成静态的光
电化学储能电池；或者光电化学储能电池系统包括一池体和电解液储
存输送系统，池体内部被隔膜分为左右两个腔室，其中一个为正极腔
室、另一个为负极腔室，分别将电池正、负极腔室通过管路与外部正、
负极电解液储罐连接，由机械泵驱动电解液在电池腔室和储罐之间循
环流动，构成光电化学液流储能电池；
于正、负极腔室内均设有电极，电极的设置包括下述二种情形任
意之一：
(1).于正极腔室内设有光阳极和对电极；于负极腔室内设有光阴
极和对电极，或者于负极腔室内仅设有对电极；
或者(2).于正极腔室内仅设有对电极，于负极腔室内设有光阴极
和对电极。
3.根据权利要求1或2所述的光电化学储能电池，其特征在于：
所述的光电化学储能电池正、负极腔室内电极的设置和电解液的
填充可为下述五种情形任意之一：
(1).于正极腔室内设有光阳极和对电极；于负极腔室内设有光阴
极和对电极；正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活
性物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；
负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的电解
液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；或者负极腔室内
填充有以V3+、V2+中的一种或者两种为活性物质的电解液，且充电的
初始状态电解液中存在活性物质V3+；
或者(2).于正极腔室内设有光阳极和对电极，于负极腔室内仅设
有对电极；正极腔室内填充有以VO2+、VO2+中的一种或者两种为活性
物质的电解液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；
负极腔室内填充有以VO2+、V3+中的一种或者两种为活性物质的电解
液，且充电的初始状态电解液中存在活性物质VO2+；或者负极腔室内
填充有以V3+、V...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，陈剑，廖世潮，施晶莹，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21