一种扩展紫精化合物及其在中性水系液流电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种扩展紫精化合物及其在中性水系液流电池中的应用，具体地：以水溶性的扩展紫精化合物作为负极电解液活性分子，正极电解液活性分子采用TEMPO衍生物或二茂铁衍生物，中性的盐作为支持电解质，钛板或石墨板作为正负极的集流体，石墨毡或碳毡作为正负电极，正负极电解液之间采用商业的阴离子交换膜。本发明专利技术公开的扩展紫精化合物具有低的氧化还原电位，快速的扩散性质和高的电子转移速率，优异的可逆性和电化学稳定性等特点；将其应用于中性水系液流电池展现出了优异的电化学性能：高的循环稳定性和能量效率、高的体积比容量，两电子充放电过程还具有比较一致的充放电平台，有利于电池电压管理。有利于电池电压管理。有利于电池电压管理。

【技术实现步骤摘要】
一种扩展紫精化合物及其在中性水系液流电池中的应用


[0001]本专利技术属于大规模能量储存
，具体涉及一种扩展紫精化合物及其在中性水系液流电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着人口增长以及生活方式的重大改变，加速了全球的能源需求。以化石燃料为主的能源结构和消耗模式已经面临着极大的困境，一方面造成传统化石能源的枯竭，另外也导致环境的恶化和气候的变化。近些年，以太阳能和风能为核心的新型能源体系逐渐被开发利用，储能系统的发展也因此得到了积极的推动，以平衡能源供应和用户需求的波动。水系氧化还原液流电池是大规模能量储存的重要候选者之一。
[0003]其中，全钒液流电池是目前发展最成熟的电池体系，然而其仍然面临一些固有问题，比如酸性电解液环境会腐蚀管路，电解液交叉污染导致严重的自放电，钒资源稀缺、成本居高不下等等。与无机体系相比，水系有机液流电池展现出诸多优势和巨大潜力：(1)水溶性有机分子作为电活性材料，其来源丰富，具有快速的氧化还原动力学和较低的交叉污染；(2)更重要的是，可以通过合理的分子结构工程与设计，调节有机电活性分子的物化和电化学性质，包括溶解度和氧化还原电势等。
[0004]水溶性紫精基化合物具有一电子或两电子存储的能力，快速的电子转移速率等优点。然而，基于其固有的联吡啶盐骨架，两个吡啶盐环之间强烈的电子交流导致其第一电子氧化还原电势偏正，而且两个电子氧化还原电势之间差值较大(>400mV)。这些问题必然导致低的能量密度，以及复杂的电池电压管理问题。Aziz等人(Adv.Energy Mater.2020,10,2000100)通过在吡啶盐环上修饰供电子基团(甲基)，但氧化还原电位的调控非常有限(负移仅有80mV)，并会导致其稳定性明显下降。于此，理论计算与实验结果表明，通过在两个吡啶盐环间插入芳香环隔离基(形成扩展紫精化合物)可以较好地阻隔互相的电子交流，最终实现一电子电位显著负移，两个电子氧化还原电势之间差值缩小，并且引入的隔离基可以离域电子有利于提高其稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供了一种扩展紫精化合物，通过在两个吡啶盐环间插入芳香环(形成扩展紫精化合物)可以较好地阻隔互相的电子交流，最终实现了电压的合理调控，并且电池循环稳定性可以得到有效提高。
[0006]本专利技术的目的在于提供一种扩展紫精化合物在中性水系液流电池中的应用，该液流电池兼具高电压、高循环稳定性、高安全性、较一致的充放电平台等特点。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：
[0008]一种扩展紫精化合物，其特征在于，所述扩展紫精化合物的结构通式如下：
[0009][0010]进一步地，所述扩展紫精化合物的结构通式中，X为芳香环类，主要包括五元杂环、苯环和六元杂环，包括以下结构中的任意一种：
[0011][0012]进一步地，所述扩展紫精化合物的结构通式中，R为亲水的季铵盐基团
‑
(CH2)
n
N(CH3)
3+
，n为3
–
5。
[0013]进一步地，所述扩展紫精化合物包含抗衡离子，包括Cl
‑
和Br
‑
。
[0014]一种扩展紫精化合物在中性水系液流电池中的应用：该单体电池或者多组单电池组装的电堆包括端板、集流体、电极框、正负电极、隔膜、支持电解质、正负极电解液、流通管道、储液罐以及蠕动泵等组件。正负极电解液活性分子均采用水溶性有机小分子，所述的正极电解液活性分子为TEMPO衍生物或者二茂铁衍生物，负极电解液活性分子为扩展紫精化合物，所述扩展紫精化合物的扩展基团X为芳香环，以中性无机盐作为支持电解质，纯水作为溶剂，所述单体电池和电堆均采用石墨毡或碳毡作为正负电极，金属钛板或石墨板作为集流体，隔膜采用商业的阴离子交换膜；所述TEMPO衍生物和二茂铁衍生物的结构式分别如下：
[0015][0016]进一步地，所述金属钛板的厚度为0.5
–
5mm。
[0017]进一步地，所述金属钛板的厚度为2mm。
[0018]进一步地，所述石墨毡的厚度为1
–
10mm，边长为1
–
30cm。
[0019]进一步地，所述石墨毡的厚度为5mm，边长为3
×
3cm。
[0020]进一步地，所述阴离子交换膜为DSV膜、AMV膜或ASV膜，厚度为80
–
130μm。
[0021]进一步地，所述阴离子交换膜采用DSV膜，厚度为100μm。
[0022]进一步地，所述支持电解质为氯化钾、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠中的一种，所述支
持电解质在电解液中的浓度为0.5
–
2mol/L。
[0023]进一步地，所述支持电解质为中性的氯化钾或氯化钠，所述支持电解质在电解液中的浓度为0.5
–
2.0mol/L。
[0024]进一步地，所述正极电解液活性分子和负极电解液活性分子均采用水溶性的有机化合物。
[0025]进一步地，所述扩展紫精化合物在负极电解液中的浓度为0.1
–
1.0mol/L；所述中性水系液流电池可以进行一电子或者两电子充放电，并且两电子充放电平台比较一致(两个单电子过程的氧化还原电势差小于120mV)；所述中性水系液流电池的测试流程采用恒电流充放电，电流密度为20
–
120mA/cm2。
[0026]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0027]本专利技术提供了一种合理的分子调控手段，通过引入芳香环调变紫精基电活性分子的物化和电化学性质，实现了电压和稳定性的协同改善。具体地，插入的芳香环(形成扩展紫精化合物)可以较好地阻隔两个吡啶盐环之间的电子交流，使得一电子电位负移(即增加电池电压)，并缩小两个单电子氧化还原电位之间的差值，利于电池电压管理；同时，中间的芳香环可以与吡啶盐环在两电子还原态时形成扩展的共轭体系，有效离域电子，提升分子的稳定性，因而保证一个高的电池循环稳定性。该专利技术为构建高性能、高稳定性的中性水系有机液流电池提供了新的策略，可适用于大规模能量储存。
附图说明
[0028]图1为扩展紫精化合物EV
‑
S的核磁共振氢谱图。
[0029]图2为扩展紫精化合物EV
‑
S和对比样紫精(1,1
’‑
双[3
‑
(三甲基铵)丙基]‑
4,4
’‑
联吡啶四溴化物，标记为V)的循环伏安图。
[0030]图3为实施例1中的中性水系液流电池充放电循环性能图。
[0031]图4为实施例2中的中性水系液流电池不同圈数的充放电曲线图。
[0032]图5为实施例4中的中性水系液流电池充放电循环性能图。
[0033]图6为实施例5中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扩展紫精化合物，其特征在于，所述扩展紫精化合物的结构通式如下：2.根据权利要求1所述一种扩展紫精化合物，其特征在于，所述扩展紫精化合物的结构通式中，X为芳香环类，主要包括五元杂环、苯环和六元杂环，包括以下结构中的任意一种：3.根据权利要求1所述一种扩展紫精化合物，其特征在于，所述扩展紫精化合物的结构通式中，R为亲水的季铵盐基团
‑
(CH2)
n
N(CH3)
3+
，n为3
–
5。4.根据权利要求1所述一种扩展紫精化合物，其特征在于，所述扩展紫精化合物包含抗衡离子，包括Cl
‑
和Br
‑
。5.一种扩展紫精化合物在中性水系液流电池中的应用，其特征在于，将所述扩展紫精化合物应用于单体电池或者多组单电池组装的电堆，所述单体电池和电堆均采用石墨毡或碳毡作为正负电极，金属钛板或石墨板作为集流体，隔膜采用商业的阴离子交换膜；中性的盐作为支持电解质，所述水溶性扩展紫精化合物作为负极电解液活性分子，正极电解液活性分子采用TEMPO衍生物或者二茂铁衍生物。6.根据权利要求5所述一种扩展紫精化合物在中性水系液...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁振兴，黄明保，胡树枝，傅志勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：