一种水系半固态碱性有机液流电池制造技术

本发明专利技术涉及液流电池领域，具体涉及一种水系半固态碱性有机液流电池。该电池负极活性电解质为2

【技术实现步骤摘要】
一种水系半固态碱性有机液流电池


[0001]本专利技术涉及液流电池领域，具体涉及一种水系半固态碱性有机液流电池。

技术介绍

[0002]随着太阳能、风能等分布式发电技术的急速发展，需要借助各种大规模储能技术来稳定电网系统的输入输出、调节盈缺，减少能源浪费(Adv.Funct.Mater.2013，23，970)。
[0003]液流电池通过不同氧化还原活性物种之间的价态转换实现能量存储与转换。氧化还原活性物种储存在外部储罐，通过循环泵输入电池体系，因而其能量与功率可相互独立设计(Chem.Rev.2015，115，11533)。
[0004]由于液流电池这种基于液体电解质的独特电池结构，具有易于扩展和模块化优点，在可再生能源的规模利用和电网调峰等领域显示了巨大的应用前景(J.Electrochem.Soc.2011，158，R55；Adv.Mater.2019，31，1902025)。
[0005]现有液流电池体系中，全钒液流电池由于具有良好的电化学可逆性、大功率密度以及不受正负极活性物种交叉渗透的限制，成为最先商业化运营的一类水系液流电池(Int.J.Energy Res.2010，34，182；Energy Stor.Mater.2020，24，529)。然而，全钒液流电池的应用仍然受到高成本的制约，而且钒基电解液毒性强，正极钒氧物种的溶解度与温度呈负相关，导致电池工作温度范围受限(10
‑
40℃)(J.Power Sources 2017，360，243；J.Electrochem.Soc.2011，158，R55；CN 201780040304.2)。
[0006]混合液流电池使用高比容量的固态无极(或有机)电极材料组合液体氧化还原电解质，可显著提升能量密度，而且兼有高功率密度和低成本优势。
[0007]然而，固态电极材料(比如锌)在充放电循环中，容易发生形貌变化、枝晶生长、钝化和寄生副反应，从而影响循环寿命(CN 202011260954.8；J.Power Sources，2008，184，610；)。
[0008]为提升能量密度，拓展液流电池应用范围，Yet
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Ming Chiang课题组开发了一种半固态锂离子液流电池，即通过在正极侧使用可流动的“泥浆状”电活性材料以突破氧化还原物种的溶解度限制(Adv.Energy Mater.2011,1,511)。然而，这类“泥浆状”流体一般粘度较高，导致循环泵的功耗显著增加。
[0009]最近，Yang Shao
‑
Horn团队开发了一种锌
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二氧化锰半固体液流电池(Joule,2021，5，2934)。通过结构设计降低循环泵功耗，这种浆液型液流电池体系相比锂离子电池和钒液流电池，显示出明显的低成本和长时储能优势，然而其循环寿命仍难以满足实际应用的要求。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种高比容量、低成本的水系半固态碱性有机液流电池。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种水系半固态碱性有机液流电池，该液流电池包括负极电解质体系、隔膜、正极电解质溶液、导电性电极、储槽和泵，负极电解质体系是
包含高负电位的蒽醌衍生物、添加剂和碱性支持电解质的具有稳定悬浮态的负极电解质体系。
[0012]负极电解质体系包含的电活性材料为2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌。2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌的含量为0.1～1mol/L。优选的含量为0.1
‑
0.5mol/L。
[0013]负极电解质体系的添加剂为胆碱、环糊精、烟酰胺、尿素中的一种或者它们的混合物。优选的添加剂为胆碱。添加剂的含量为0.01～1mol/L。优选添加剂的含量为0.05
‑
0.5mol/L。
[0014]正极电解质溶液为包含氧化还原活性无机物和碱性支持电解质的水溶液。其中，氧化还原活性无机物为亚铁氰化钾、亚铁氰化钠、亚铁氰化铵的一种或它们的混合物。正极电解质溶液中亚铁氰化物的浓度为0.1～1.2mol/L。优选的亚铁氰化物的浓度为0.2～0.8mol/L。
[0015]负极电解质体系和正极电解质溶液均包含碱性支持电解质。碱性支持电解质为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂的一种或它们的混合物。作为优选，碱性支持电解质为氢氧化钾。碱性支持电解质的浓度为0.01～2mol/L。优选的碱性支持电解质浓度为0.1～1mol/L。
[0016]导电性电极包括任何碳基电极，如碳纸、碳布、碳毡。还可采用氮化钛电极。适用的其它电极是本领域中已知的。
[0017]隔膜为阳离子传导性膜，允许水合阳离子通过，但阻隔尺寸较大的阴离子或其它氧化还原活性物质通过。实例是Nafion系列膜(即全氟磺酸膜)。
[0018]本专利技术的液流电池可包括本领域中已知的另外的组件。溶解或分散在水溶液中的氧化还原活性物质将容纳在合适的存储器中。电池还包括循环泵以将水溶液输送至两个电极表面。电池还包括流场板和金属集流体。
[0019]本专利技术的有益结果为：本专利技术使用的负极氧化还原活性物质化学结构稳定，有利于电池保持长期充放电循环的稳定性；使用的添加剂可以提高蒽醌类氧化还原物质的有效浓度和电解质体系的稳定性，从而提高电池能量密度。本专利技术电池的工艺简单、制造成本低、安全环保、且电解液的设计具有通用性和灵活性。
附图说明：
[0020]图1是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌的合成路线图。
[0021]图2是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌的核磁共振氢谱(1H NMR)图。
[0022]图3是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌(0.001mol/L)在玻碳电极上1mol/LKOH溶液中不同扫速下的循环伏安图。
[0023]图4是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌(0.001mol/L)在玻碳电极上1mol/LKOH溶液中100mVs
‑1下100圈循环伏安图。
[0024]图5是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌(0.001mol/L)在玻碳电极上1mol/LKOH溶液中不同电极转速下的线性扫描伏安图。
[0025]图6(a)是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌(0.001mol/L)在玻碳电极上1mol/LKOH溶液中6个过电位下的Koutecky
‑
Levich图；(b)是对应的Tafel关系图。
[0026]图7(a)是实施例1的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌(0.001mol/L)在玻碳电极上不同浓度的KOH溶液中的循环伏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系半固态碱性有机液流电池，其特征在于，所述液流电池包括负极电解质体系、隔膜、正极电解质溶液、导电性电极；其中，负极电解质体系中的活性物质为低溶性的2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌。2.根据权利要求1所述的水系半固态碱性有机液流电池，其特征在于，所述负极电解质体系由2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌、添加剂、碱性支持电解质和水组成。3.根据权利要求1所述的水系半固态碱性有机液流电池，其特征在于，所述2
‑
羟基
‑3‑
吡咯蒽醌的在负极电解质体系中的含量为0.1～1mol/L。4.根据权利要求2所述的水系半固态碱性有机液流电池，其特征在于，所述添加剂为胆碱、环糊精、烟酰胺、尿素中的一种或几种的混合物，添加剂在负极电解质...

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