一种基于吡啶基吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池制造技术

本发明专利技术属于新能源领域，具体涉及一种基于吡啶吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池。本发明专利技术公开了一种以吡啶基吩嗪为负极活性材料的水系混合液流电池及制备方法，根据吩嗪在水系电解液中的电极电位、溶解度和氧化还原动力学性质的不同，将不同数目吡啶基共轭的吩嗪选作固体负极，以亚铁氰化钾为可溶性液流阴极，组装了基于吡啶基吩嗪固态阳极的水系混合液流电池。该混合液流电池展现了高功率密度和长循环寿命，兼顾了固体电池高能量密度和液流电池能量密度和功率密度分开设计的优点。

A high power and long life neutral water mixed flow battery based on pyridine phenazine

【技术实现步骤摘要】
一种基于吡啶基吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池
本专利技术属于新能源领域，具体涉及一种基于吡啶基吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池。
技术介绍
随着工业化的发展，能源的需求越来越大。传统化石燃料日益枯竭，并且造成巨大的环境污染问题，开发清洁的可再生能源较为紧迫。由于太阳能和风能等可再生能源的间歇性，需要大规模储能系统来弥补供应短缺的问题。到目前为止，已经开发了各种技术，包括诸如压缩空气和泵送水力的物理方法，以及诸如可充电电池和再生燃料电池的电化学方法。水系氧化还原液流电池是可实现大规模储能的电池系统，在可再生能源利用领域有着广泛的应用前景。然而，能量密度低的问题是阻碍其进一步发展的关键因素。目前，国内外主要还是在研究全水溶性的正负极电解质的液流电池，混合液流电池仍处于起步阶段。具有电活性的有机分子具有结构可设计性、大的理论容量，以及清洁、安全和潜在的低成本等优势，已成为一类极具发展潜力的电化学储能材料。因此，在实现低成本条件下大规模的电能储存上，使用电活性有机分子替代传统的氧化还原活性的金属物种代表了一种新的有前途的研究方向。但是，有机物仍然存在一些缺点，比如复杂的反应动力学，较多的副反应以及不确定的兼容性等问题，仍然需要进一步发展新型的电活性有机分子。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：设计一种具有高功率密度和长循环寿命的水系混合液流电池。选取了具有高的负电极电位、电化学可逆性以及不溶性特征的固体负极材料吡啶基吩嗪，以亚铁氰化钾为阴极电解液，设计了一种具有高功率密度和长循环寿命的水系混合液流电池。该混合液流电池利用吡啶吩嗪的高比容量和电化学稳定性的优势，兼顾了固体电池的高能量密度和液流电池的能量密度和功率密度分开设计的优点。为了实现上述目的，本专利技术设计了一种基于吡啶基吩嗪的高功率、长寿命的水系混合液流电池。本专利技术采用的技术方案是：水系混合液流电池的正极为水溶性亚铁氰化钾，负极为高度不溶的固态吡啶基吩嗪电极材料，电解液为水系电解液。水系电解液可以分别为酸性H2SO4、中性KCl或碱性KOH。其中，电解质的浓度在0.5-3molL-1。固态吡啶基吩嗪电极材料，具有高的负电极电位、电化学可逆性以及不溶性特征。本专利技术提供的负极材料的具体制备步骤为:(1)以吡啶基吩嗪为原料，加入石墨炔，共同分散于溶剂中，超声一定时间，接着将混合溶液静置一段时间，采用超声法制备具有π-π堆积作用的复合物材料。其中，吡啶基吩嗪包含二吡啶并吩嗪、四吡啶吩嗪和3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪中的一种。分散吡啶基吩嗪和石墨炔的溶剂有甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺乙二醇、三氯甲烷、乙二醇/三氯甲烷(1:1)和N-甲基吡咯烷酮等。超声时间为0.5-6h，静置时间为4-144h。超声能够使吡啶基吩嗪和石墨炔分散更好，静置的目的是使吡啶基吩嗪和石墨炔能够依靠π-π键复合。所用石墨炔的比表面积为300m2g-1-2050m2g-1。吡啶基吩嗪和石墨炔的质量比为10:1～1:1；石墨炔的作用在于与吡啶基吩嗪复合，提升吡啶基吩嗪的利用率。(2)在步骤(1)得到的吡啶基吩嗪和石墨炔的混合物中加入适量的粘结剂Nafion，喷涂到碳纸基底表面，制得固体负极。其中，吡啶基吩嗪与粘结剂Nafion的质量比为9:1。固体负极的制备过程中，吡啶基吩嗪在碳纸上的负载量为：0.5-5mgcm-2。吡啶基吩嗪的负载量太少，电池总容量低；负载量太高，电极材料的利用率低，电池的质量比容量低。本专利技术的有益效果：本专利技术设计了一种基于吡啶基吩嗪负极的高功率、长寿命的水系混合液流电池，可以分别用于酸性、中性和碱性体系。该水系混合液流电池兼顾了固体电池的高能量密度和液流电池的能量密度和功率密度分开设计的优点。在实现低成本条件下大规模的电能储存上，使用电活性有机分子替代传统的氧化还原活性的金属物种，代表了一种新的有前途的研究方向。附图说明图1实施例1制备四吡啶基吩嗪的XRD图；图2实施例1、2和3中四吡啶基吩嗪电极在不同电解液(KOH、KCl和H2SO4)中的循环伏安(CV)图。电解液的浓度为1molL-1,扫速为25mVs-1。图3实施例4中制备的DPPZ电极(a)在1molL-1H2SO4电解液中不同扫速下的CV图；(b)峰电流密度与扫速的关系图(E0＝0.16V)；(c)在1molL-1H2SO4中较大电势窗下的CV图，扫速为25mVs-1；(d)在1molL-1H2SO4中的循环CV图(100圈)，扫速为100mVs-1。图4实施例5中制备的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪电极在1molL-1的KCl溶液中的CV图，扫速为25mVs-1。图5是实施例6组装的TPPHZ//K4[Fe(CN)6]混合液流电池在50％SOC和100％SOC条件下的极化曲线和最大功率密度图。图6是实施例6组装的TPPHZ//K4[Fe(CN)6]混合液流电池容量保持率和效率数据图，充放电电流密度为5Ag-1。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但不限于此。实施例1四吡啶吩嗪(TPPHZ)负极的制备(1)电极材料的制备将20mgTPPHZ分散于50mL乙二醇，超声30min。接着将10mg石墨炔(BET～2050m2g-1)分散于50mL乙二醇，超声30min。将上述两个分散液混合，超声处理30min，静置24h。然后抽滤，依次用10mL乙醇以及300mL去离子水各洗涤三次。60℃真空干燥得到TPPHZ负极材料。TPPHZ和石墨炔的质量比为2:1。(2)电极的制备称取4mg上述TPPHZ电极材料，置于0.5mL水和0.5mL异丙醇的混合溶剂中，超声0.5h，加入75μL5％的Nafion溶液，继续超声1h。然后将制备的TPPHZ电极材料均匀溶液滴涂到玻碳电极表面，60℃下干燥8h。玻碳电极作为工作电极，汞/氧化汞电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，在三电极体系中测试四吡啶吩嗪负极的电化学性能，整个测试过程在氮气保护下。电解液为1molL-1的KOH溶液，碱性电解液。图1为实施例1制备的TPPHZ负极材料的XRD图。由图可见，TPPHZ的峰形尖锐，说明其结晶度很高。实施例2在采用三电极体系进行电化学性能测试时，电解液为1molL-1的KCl，中性电解液。其余同实施例1。实施例3在采用三电极体系进行电化学性能测试时，电解液为1molL-1的H2SO4，酸性电解液。其余同实施例1。图2是实施例1、2和3中四吡啶基吩嗪电极在不同电解液中的CV图。电解液的浓度为1molL-1,扫速为25mVs-1。由图可见，在不同电解液中，四吡啶基吩嗪电极均有良好的氧化还原电活性，差异在于其电极电位不同。在酸性、中性和碱性条件下，四吡啶基吩嗪电极的平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于吡啶吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池，其特征在于：所述的水系混合液流电池的正极为水溶性亚铁氰化钾，负极为高度不溶的固态吡啶基吩嗪电极材料，电解液为水系电解液。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于吡啶吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池，其特征在于：所述的水系混合液流电池的正极为水溶性亚铁氰化钾，负极为高度不溶的固态吡啶基吩嗪电极材料，电解液为水系电解液。


2.根据权利要求1所述的水系混合液流电池，其特征在于：所述的水系电解液为酸性H2SO4、中性KCl或碱性KOH；其中，电解质的浓度为0.5-3molL-1。


3.根据权利要求1所述的水系混合液流电池，其特征在于，所述的固态吡啶基吩嗪电极材料的制备方法步骤如下：
(1)以吡啶基吩嗪为原料，加入石墨炔，共同分散于溶剂中，超声后将混合溶液静置；
(2)在步骤(1)得到的吡啶基吩嗪和石墨炔的混合物溶液中加入粘结剂Nafion，喷涂到碳纸基底表面，制得固体负极。


4.根据权利要求3所述的水系混合液流电池，其特征在于：所述的吡啶基吩嗪为二吡啶并吩嗪、四吡啶吩嗪或3,6-二(2-吡啶基)-1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：许娟，张洋，曹剑瑜，陈智栋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32