CN103682407B - 一种锌铁单液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锌铁单液流电池，由一节单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正负极端板、正极、负极，电解液为碱性锌酸盐溶液，正负极采用相同电解液，正极反应为FeO与Fe2O3的固相转化。本发明的锌铁单液流电池克服了传统锌铁液流电池的交叉污染问题，具有循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。

Description

一种锌铁单液流电池
技术领域
本发明涉及一种单液流电池领域，特别涉及一种锌铁单液流电池。
背景技术
日前随着世界能源供应日趋短缺，人们开始对风能、太阳能等可再生能源的开发和利用广泛关注，但要保证太阳能、风能等可再生能源发电系统的稳定供电，就必须结合高效、廉价、安全可靠的储能技术与其配合，纵观各种储能技术，其中化学储能方式的液流储能电池以其独特的优势而成为目前最适宜大规模储能的蓄电池之一。
目前发展较好的液流电池体系主要有全钒液流电池及锌溴液流电池两种。全钒液流电池通过电解液中不同价态钒离子在惰性电极上的电化学反应来实现电能和化学能的可逆转化。正极为VO2+/VO2 +电对，负极为V2+/V3+电对，硫酸为支持电解质。因为正负极两侧是不同价态的钒离子，避免了离子互串对电解液的污染，影响电池的性能和寿命。另外，钒电解质溶液可以恢复再生，进一步提高了电池系统的寿命，降低运行成本。但是全钒液流电池电解液成本和质子交换膜成本较高、正负极仍存在一定程度的交叉污染问题。
锌溴液流电池正负半电池池由隔膜分开，两侧电解液为ZnBr2溶液。在动力泵的作用下，电解液在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。锌溴液流电池存在的主要问题为溴的污染无法解决。
锌铁液流电池上世纪被研究人员提出。负极采用锌的沉积溶解反应，正极为溶液中的二价铁和三价铁的相互转化，但是由于铁盐的溶解度较低，铁离子的交叉污染问题制约了其进一步发展。
发明内容
本专利通过改进正极反应，提出了锌铁单液流电池的概念，改善了传统锌铁液流电池铁盐的溶解度较低和铁离子的交叉污染问题。为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种锌铁单液流电池，由一节单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正极和负极端板、正极、负极，其特征在于，电解液为碱性锌酸盐溶液，正负极采用相同电解液，正极反应为FeO与Fe2O3的固相转化。
电池充电时，电解液经由泵从储液罐输送至正、负极，正极的活性物质FeO发生氧化反应生成Fe2O3，负极上锌离子直接以锌单质形式沉积；放电时，正极的活性物质Fe2O3发生还原反应生成FeO；锌单质氧化为锌离子经由泵重新回到储液罐中。
所述碱性锌酸盐溶液浓度为1—3mol/L。碱性锌酸盐为锌酸钾或锌酸钠。
所述正极由基体和其上的正极材料组成，负极为沉积型电极；其中基体为碳毡、石墨毡或泡沫金属。
负极为沉积型锌电极，采用板状、多孔状金属或碳材料。
所述正极材料由正极活性物质、碳粉和粘结剂组成，其中正极活性物质为FeO，碳粉为活性碳、石墨、乙炔黑。粘结剂为PTFE或PVDF；碳粉占正极材料总质量的10-30%，粘结剂占正极材料总质量的5-15%
FeO载量为0.1mg/cm2-5.0mg/cm2。
负极为沉积型锌电极，采用板状、多孔状金属或碳材料。
本发明的有益效果
本专利通过技术改进，提出了锌铁单液流电池的概念，改善了传统锌铁液流电池铁盐的溶解度较低和铁离子的交叉污染问题，具有循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
附图说明
图1为单液流电池示意图；
其中1-正极端板；2-负极端板；3-正极；4-负极；5-泵；6-电解液储罐
图2为实施例制备的锌铁单液流电池充放电曲线图。
具体实施例
正极活性物质的制备：
用试剂瓶配制40mL0.05mol/L的FeSO4缓慢滴加入100mL0.05mol/LKOH溶液中，用玻璃棒充分搅拌后得到一无色澄清的混合溶液；氮气保护；反应温度：室温；反应完成后，抽滤收集黑色沉淀，用去离子水反复洗涤至溶液呈中性，井在烘箱中于100℃真空干燥12h得到正极活性物质FeO。
正极的制备：
将所制备的正极活性物质FeO与乙炔黑、PTFE按质量比75:15:10混合，用玛瑙研钵充分研磨均匀。加入适量乙醇，用刀片均匀地刮涂在3x3cm2的基体泡沫镍上，放入120℃真空干燥箱干燥至恒重，在10MPa压力下压成薄片，正极活性物质载量为10mg/cm2。
电解液配置及电池组装：
电解液：40ml的1.5mol/L锌酸盐溶液；单电池依次正极端板、正极3x3cm2、负极3x3cm2石墨板、负正极端板。单电池结构及系统见图1，单电池结构包括依次叠合的正极端板1、正极3、负极4和负极端板2，电池系统包括单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐6、循环泵5、循环管路，电解液储罐6通过循环管路经泵5与电池模块的进液口相连，电池模块的出液口通过循环管路与电解液储罐6相连。
电池测试：
电解液流速：5ml/min；充放电电流密度20mA/cm2；充电容量20mAh/cm2。
电池性能见图2。由图2可知在充放电电流密度20mA/cm2；充电容量20mAh/cm2条件下电池的能量效率达到了75%左右，600次循环性能未见明显衰减。

Claims (6)

1.一种锌铁单液流电池，由一节单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正负极端板、正极、负极，其特征在于，电解液为碱性锌酸盐溶液，正负极采用相同电解液，正极反应为FeO与Fe2O3的固相转化；充电时，电解液经由泵从储液罐输送至正、负极，正极的活性物质FeO发生氧化反应生成Fe2O3，负极上锌离子直接以锌单质形式沉积；放电时，正极的活性物质Fe2O3发生还原反应生成FeO；锌单质氧化为锌离子经由泵重新回到储液罐中。
2.根据权利要求1所述的锌铁单液流电池，其特征在于，所述碱性锌酸盐溶液浓度为1-3mol/L。
3.根据权利要求1所述的锌铁单液流电池，其特征在于，所述正极由基体和其上的正极材料组成，负极为沉积型电极；其中基体为碳毡、石墨毡或泡沫金属。
4.根据权利要求3所述的锌铁单液流电池，其特征在于，负极为沉积型锌电极，采用板状、多孔状金属或碳材料。
5.根据权利要求3所述的锌铁单液流电池，其特征在于，所述正极材料由正极活性物质、碳粉和粘结剂组成，正极活性物质为FeO，碳粉为活性碳、石墨或乙炔黑,粘结剂为PTFE或PVDF,碳粉占正极材料总质量的10-30％，粘结剂占正极材料总质量的5-15％。
6.根据权利要求5所述的锌铁单液流电池，其特征在于，正极活性物质FeO载量为0.1mg/cm2—5.0mg/cm2。
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