锌铈基离子液体液流电池制造技术

本发明专利技术涉及到一种新型的锌铈基离子液体液流电池，属于电化学领域，可广泛应用于新能源的大规模储能。本发明专利技术由于选用溶解力很强的离子液体来制备正负极电解液，因而获得了高浓度的活性物质。对于负极的锌基离子液体来说，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。对于正极的铈基离子液体来说，前驱体三氟化铈与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。本发明专利技术的能量密度可达到现有水介质锌铈液流电池能量密度的3倍以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种新型的锌铈基离子液体液流电池，属于电化学领域，可广泛应用于新能源的大规模储能。
技术介绍
二十一世纪人类面临多种严峻的挑战，如气候变暖、土地沙化、能源枯竭等。世界各国政府高度重视新能源的开发利用。储能技术是新能源利用的关键技术。现有的电力储能技术有抽水电站、压缩空气、超导磁和电池等等。液流电池是一种新型的大容量氧化还原电化学储能装置。与常规电池不同，液流电池的活性物质不在电极上，而是溶解在电解液中，是电解液的组成成分。液流电池的电极是电化学惰性材料，只为电极反应提供场所，而不参与成流的电极反应。因而，液流电池的功率和容量是可以独立设计的。其功率取决于电极和电堆的尺寸，容量则取决于电解液的量和浓度。当前，锌铈液流电池的研究仅限于水介质体系，负极反应为：正极反应为：该水介质体系负极电解液活性物质的浓度约为2.0mol/L,正极电解液活性物质的浓度约为1mol/L。如果换算成溶质与溶剂的摩尔比，负极电解液为1:28，正极电解液为1:56。从能量密度来说，这么低的活性物质浓度是不能满足实际需要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高能量密度锌铈基离子液体液流电池，克服现有液流电池的不足之处，拓宽锌铈资源的利用范围。本专利技术是在现有液流电池的基础上改进而成。本专利技术主要由负极、负极电解液、正极、正极电解液和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极电解液置于负极储液罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极电解液置于正极储液罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极储液罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极储液罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。本专利技术的关键在于所述负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铈基离子液体。所述负极电解液的锌基离子液体，选用氟化锌溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成锌基离子液体，其结构式如下：n＝1-3，锌基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；所述正极电解液的铈基离子液体，选用三氟化铈溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成铈基离子液体，其结构式如下：n＝1-3，铈基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质。正负极电解液中均含有质量百分比为0.5％—10％的氟化钠。本专利技术的锌铈基离子液体液流电池以锌基离子液体作为负极活性物质，铈基离子液体为正极活性物质，其电极反应如下：负极反应：正极反应：其工作原理是利用不同价态锌铈基离子液体之间的氧化还原反应来实现能量的转换，正、负极活性物质为液态的铈锌基离子液体，氧化还原反应发生在惰性电极上。充放电时，正、负极电解液在各自的回路中循环流动。充电时，锌基离子液体还原成锌，三价铈基离子液体氧化成四价铈基离子液体；放电时，锌氧化成锌基离子液体，四价铈基离子液体还原成三价铈基离子液体。电池单体的正、负极标准电势差为2.60V。本专利技术的锌铈基离子液体液流电池，由于选用溶解力很强的离子液体来制备正负极电解液，因而获得了高浓度的活性物质。对于负极的锌基离子液体来说，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。对于正极的铈基离子液体来说，前驱体三氟化铈与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。考虑到离子液体的分子量和体积比水分子的要大，锌铈基离子液体活性物质的浓度约为水介质锌铈液流电池活性物质浓度的3倍以上；也就是，本专利技术提供的锌铈基离子液体液流电池的能量密度可达到现有水介质锌铈液流电池能量密度的3倍以上。附图说明图1是本专利技术的锌铈基离子液体液流电池单体的结构示意图。具体实施方式如图1所示(图中箭头为电解液流向)，本专利技术主要由负极、负极电解液、正极、正极电解液和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极电解液置于负极储液罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极电解液置于正极储液罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极储液罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极储液罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。所述负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铈基离子液体。所述负极电解液的锌基离子液体，选用前驱体氟化锌溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到。所述正极电解液的铈基离子液体，选用前驱体三氟化铈溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到。电池单体的正、负极可选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸或碳布等惰性材料。离子交换膜把电池单体分隔为正极室和负极室两部分，正极在正极室中，负极在负极室中。所述离子交换膜选用阴离子交换膜。本专利技术在充放电过程中，正负极电解液分别由正负极电解液输送泵不断泵入电池单体中，电解液的流动加速了电极界面中的物质传递过程，有利于降低电极反应中的电化学和浓差极化。电池的额定功率取决于电堆的大小，容量大小取决于电解液。本专利技术充放电时，负、正极储液罐中的负、正极电解液在电解液输送泵的推动下，通过电解液导管进入负、正极室中进行电极反应，而后再流回负、正极储液罐中。实施例中NaF的含量为质量百分比含量。实施例1：阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体(n＝1)+5％NaF溶液，正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铈氟三氟乙酸盐离子液体(n＝1)+5％NaF溶液。充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min。电池的能量密度为123Wh/L，是水介质锌铈液流电池能量密度(39Wh/L)的3.15倍。实施例2：阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体(n＝2)+0.5％NaF溶液，正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铈氟三氟乙酸盐离子液体(n＝2)+10％NaF溶液。充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min。电池的能量密度为185Wh/L，是水介质锌铈液流电池能量密度(39Wh/L)的4.74倍。实施例3：阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锌铈基离子液体液流电池，包括正负极和正负极电解液，其特征是：所述的负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铈基离子液体；所述的负极电解液的锌基离子液体，选用氟化锌溶解在1,3‑二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成锌基离子液体，其结构式如下：其中：n＝1‑3，锌基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；所述的正极电解液的铈基离子液体，选用三氟化铈溶解在1,3‑二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成铈基离子液体，其结构式如下：其中：n＝1‑3，铈基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；正负极电解液中均含有质量百分比为0.5％—10％的氟化钠。

【技术特征摘要】
1.一种锌铈基离子液体液流电池，包括正负极和正负极电解液，其特征是：所述的负
极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铈基离子液体；
所述的负极电解液的锌基离子液体，选用氟化锌溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配
成锌基离子液体，其结构式如下：
其中：n＝1-3，锌基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；
所述的正极电解液的铈基离子液体，选用三氟化铈溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中
配成铈基离子液体，其结构式如下：
其中：n＝1-3，铈基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；
正负极电解液中均含有质量百分比为0.5％—10％的氟化钠。
2.根据权利要求1所述的一种锌铈基离子液体液流电池，其特征是：正负极反应如下：
负极反应：
正极反应：
3.根据权利要求1所述的一种锌铈基离子液体液流电池，其特征是：所述的负极电解液
的锌基离子液体，选用前驱体氟化锌溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得
到，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1；
所述正极电解液的铈基...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志鹏，杨斌，袁华丽，刘宏萱，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36