一种液流电池及其控制方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种液流电池及其控制方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种液流电池及其控制方法和应用


[0001]本专利技术涉及储能电池领域，特别是涉及一种液流电池及其控制方法和应用
。

技术介绍

[0002]近年来，随着新能源技术的发展，可再生能源在中国的装机容量已经超过煤电装机容量
。
但可再生能源电力生产端和消耗端不匹配的情况给电网的稳定和持续供电带来了严峻的挑战，而高效的大规模储能技术可以有效解决这一问题
。
在诸多储能技术中，液流电池以高效
、
安全可靠
、
长循环寿命
、
结构设计灵活等优点著称
。
液流电池不同于传统的二次电池，它将电能存储在流动的电解液中，通过活性物质的氧化还原反应实现电能的存储和释放，因此不存在电池活性物质嵌入或脱嵌于电极材料，引发电极结构改变的情况，从而具有超长的循环寿命
。
而在液流电池中，全钒液流电池和铁铬液流电池技术相对比较成熟，世界范围内已建有数个兆瓦级别的储能示范项目
。
[0003]由于液流电池是将电解液泵送到正负极进行充放电，因此需要电极具有较大的表面积
、
较高的稳定性和机械强度
。
基于此，多孔碳电极被认为是目前液流电池电极的最优选择，其中碳毡和石墨毡由于具有大量的微孔和较大的表面积，已被广泛应用于液流电池的示范项目
。
对于全钒液流电池和铁铬液流电池，其负极都存在严重的析氢问题，这不仅直接降低了液流电池的库伦效率，电极表面的吸附态氢也会大幅降低电极的有效面积，进而导致严重的活化极化
。
更有甚者，液流电池充放电过程中生成的氢累积到一定浓度，会对储能系统的安全性带来较大的挑战
。
此外，全钒液流电池碳毡电极表面的负极反应动力学较差，因此采用催化剂来提高电极的电催化活性显得尤为重要
。
铋作为一种高效稳定的催化剂，被广泛应用于全钒和铁铬液流电池中
。
目前主要有两种途径将铋修饰到碳电极表面，一种是通过烧结的方式将铋颗粒修饰到电极表面；另外一种是通过电化学的方式进行金属铋的原位电沉积
。
其中，第一种方法过程较为复杂，耗时较长，而第二种方法可以直接在电池内部实现金属铋的原位电沉积，不用改变电极的生产线
。
但是目前相关的原位电沉积方法主要是在高浓度
(
＞
1M)
的钒电解液中进行的，在沉积过程中有一定量的高价态钒离子会从正极跨膜传输到负极，从而氧化掉电极上沉积的铋纳米颗粒催化剂，导致沉积均匀性较差
。
特别是在大尺寸电堆中，往往需要较小的沉积电流密度
(5mA cm
‑2)
，但该状况下单位时间内从正极传输过来的高价态钒离子足以氧化溶解电极表面沉积的铋纳米颗粒催化剂，从而加剧金属催化剂的不均匀分布
。
总的来说，目前原位电沉积方法难以在电极表面得到颗粒较小且分布均匀的铋纳米颗粒，极大地限制了该项技术在液流电池的应用
。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对传统原位电沉积方法难以在较小沉积电流密度下，在电极表面得到颗粒较小且分布均匀的金属纳米颗粒催化剂的问题，提供一种液流电池
。
[0005]一种液流电池，包括电堆
、
电解液
、
负极沉积液和正极沉积液；当所述液流电池工作时，所述电解液循环经过电堆构成回路；当所述液流电池进行原位电沉积时，所述负极沉
积液和正极沉积液分别循环经过电堆的负极和正极，分别构成负极回路和正极回路；
[0006]所述负极沉积液为含高析氢过电位金属离子的酸溶液，所述高析氢过电位金属离子为
Bi
3+
、In
3+
、Sn
2+
、Pb
2+
中的至少一种；
[0007]所述正极沉积液为含有还原性物质的酸溶液，所述还原性物质为
V
3+
、Cr
2+
、Fe
2+
、Mn
2+
中的至少一种；
[0008]所述正极沉积液中还原性物质的总含量是所述负极沉积液中高析氢过电位金属离子总含量的1倍及其以上
。
[0009]上述液流电池，通过使用
V
3+
、Cr
2+
、Fe
2+
、Mn
2+
等还原性物质含量比负极电解液低的正极沉积液，减少了具有较强氧化性的高价态金属离子从正极跨膜传输到负极的含量，进而避免负极电极表面沉积的金属纳米颗粒催化剂被高价态活性物质氧化溶解
。
传统方法中直接使用完全放电态的正极电解液和负极电解液进行原位电沉积反应，向完全放电态的负极电解液中加入
Bi
3+
，液流电池正
、
负极反应及条件如下：
[0010]正极反应：
VO
2+
+H2O
→
VO
2+
+2H
+
+e
‑
[0011]负极反应：
Bi
3+
+3e
‑
→
Bi
[0012]反应条件为充电
[0013]此时正极的高价态活性物质四价钒以
VO
2+
的形式存在，正极电解液中
VO
2+
的工作浓度很高，足以在沉积过程中从正极跨膜扩散到负极，进而氧化掉负极表面刚生成的铋纳米颗粒催化剂，即发生反应：
Bi+3VO
2+
+6H
+
→
Bi
3+
+3V
3+
，导致负极电极表面难以沉积均匀分布的铋纳米颗粒催化剂
。
[0014]而本专利技术使用正
、
负极沉积液进行原位电沉积反应，使电解液不参加沉积反应，液流电池正
、
负极反应及条件如下：
[0015]正极反应：
V
3+
+H2O
→
VO
2+
+2H
+
+e
‑
，
VO
2+
+H2O
→
VO
2+
+2H
+
+e
‑
[0016]负极反应：
Bi
3+
+3e
‑
→
Bi
[0017]反应条件为充电
[0018]在上述基础上，再通过将正极沉积液中还原性物质的总含量与负极沉积液中高析氢过电位金属离子的总含量的比例关系设定在特定范围内，就可以基于大尺寸电堆进行小电流密度沉积，从而在液流电池负极表面形成粒径更小
、
分布更均匀的金属纳米颗粒催化剂，从而提升了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
min
‑1cm
‑2，以1～
100mA cm
‑2的恒电流密度对所述液流电池充电
。9.
根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，将沉积液的流速设置为1～
10mL min
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天寿，任嘉友，范新庄，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：