CN103794813B - 铕铈液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种新型的电池,特别是一种铕铈液流电池。本发明中所述负极电解液的Eu³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铕溶解在10.0mol/L的甲基磺酸中配成1.0mol/LEu³⁺的水合甲基磺酸溶液；所述正极电解液的Ce³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铈溶解在5.0mol/L的甲基磺酸溶液中配成1.0mol/LCe³⁺的水合甲基磺酸溶液。它具有结构简单，易规模化、循环寿命长，功率密度、能量密度及能量利用效率高等特点。

Description

铕铈液流电池

技术领域

本发明涉及到一种新型的电池,特别是一种铕铈液流电池，是稀土资源的高效、绿色利用，可广泛应用于新能源如风能、太阳能等的大规模储能及电力、交通等行业。

背景技术

稀土元素及其化合物具有许多特殊的光、电、磁、声、热、力及其相互转换的性能。现在已被人们熟知的稀土功能材料包括稀土超导陶瓷、稀土贮氢材料、稀土永磁材料、稀土激光材料、稀土巨磁致伸缩材料、稀土发光材料和稀土磁光记录材料。因此，稀土资源在现代材料科学技术中占据着重要的地位。近来，稀土资源在大规模储能技术领域的应用越来越受到关注。

化石能源的过度使用不仅加速了常规能源的枯竭，也带来了人类生存环境的恶化。风能、太阳能等可再生能源的开发利用是解决能源问题和环境问题的必然选择。由于电能是一种易于传输的清洁二次能源，现代社会对它的需求越来越大；这导致用电负荷的日夜峰谷之差也越来越大。为了克服风能、太阳能等可再生能源利用过程中碰到的间歇性、随机性和非稳态性问题，以及在保证满足人们用电需要的前提下降低发电厂的建设规模和提高发电机组利用率，开发经济可行的大规模储能技术显得日益紧迫且具有重大的意义。

液流电池是一种新型的大容量氧化还原电化学储能装置。与常规电池的不同之处在于，常规电池的活性物质是电极的组成成分，即活性物质在电极上，而液流电池的活性物质则溶解在电解液中，它是电解液的组成成分。液流电池的电极是电化学惰性材料，它不参与成流的电极反应，只为电极反应提供场所。液流电池的功率大小决定于电极和电堆的大小，而容量则取决于电解液的浓度和体积。因此，液流电池的功率和容量是可以独立设计的。电解液储存在正、负极储液罐里。在电池充放电时，通过输送泵把电解液输送到电池的正、负极室里发生电极反应。因此，液流电池又可称为流动电极电池。

液流电池的正、负极电解液分开储存，独立循环，这样就可以避免电池不工作时的自放电，理论自放电为零，因而其循环使用寿命长。目前，已有研究和开发的液流电池类型包括全钒、多硫化钠/溴、锌溴和锌铈等电池体系。全钒液流电池因使用单一元素做为储能物质，可以避免正、负极电解液交叉混合引起的容量损失问题，不足之处在于单电池的标准电压偏小（约为1.26V）。多硫化钠/溴、锌溴电池体系所使用的储能物质廉价易得，不足之处在于溴的腐蚀性强，易引起环境安全方面的担忧。锌铈液流电池具有单电池电压大（约为2.50V），不足之处在于强酸性环境下负极锌的有效沉积面临严重的挑战。随着可再生能源的不断开发利用，液流电池将迎来一个快速发展的时期。

发明内容

本发明的目的是提供一种铕铈液流电池，克服了现有液流电池的不足之处，拓宽了稀土资源的利用范围，其循环寿命长、绿色环保、生产成本相对较低、功率密度和能量密度高。

本发明的铕铈液流电池，主要是在现有液流电池的基础上改进而成。其结构包括主要由负电极、负电解液、离子交换膜、正电解液和正电极组成的多节电池单体联成的电堆，以及负极电解液储罐、负极电解液输送泵、正极电解液储罐和正极电解液输送泵。离子交换膜把每节电池单体分隔为负极室和正极室两部分，负电极在负极室中，正电极在正极室中。电堆中的负极电解液在由负极室、负极电解液输液管、负极电解液输送泵、负极电解液储液罐连成的回路中循环流动。电堆中的正极电解液在由正极室、正极电解液输液管、正极电解液输送泵、正极电解液储液罐连成的回路中循环流动。本发明的关键在于所述负极电解液为Eu³⁺离子的酸性溶液，正极电解液为Ce³⁺离子的酸性溶液。

所述负极电解液的Eu³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铕溶解在10.0mol/L的甲基磺酸中配成1.0mol/LEu³⁺的水合甲基磺酸溶液。

所述正极电解液的Ce³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铈溶解在5.0mol/L的甲基磺酸溶液中配成1.0mol/LCe³⁺的水合甲基磺酸溶液。

所述离子交换膜选用Nafion115型离子交换膜。

本发明的铕铈液流电池以Eu²⁺/Eu³⁺作为负极活性物质，Ce³⁺/Ce⁴⁺为正极活性物质，其电极反应如下：

负极反应：

正极反应：

总的电池反应为：

其工作原理是利用不同价态铕铈离子之间的氧化还原反应来实现能量的转换，正、负极活性物质溶解在溶液中，氧化还原反应发生在惰性电极上。充放电时，正、负极电解液在各自的回路中循环流动。充电时，Eu³⁺离子还原成Eu²⁺离子，Ce³⁺离子氧化成Ce⁴⁺离子；放电时，Eu²⁺离子氧化成Eu³⁺离子，Ce⁴⁺离子还原成Ce³⁺离子。电池单体的正、负极标准电势差为1.90V。

本发明的铕铈液流电池，由于选用Eu³⁺离子的酸溶液为负极电解液，选用Ce³⁺离子的酸溶液为正极电解液，所以既避免了锌铈液流电池负极锌在酸性溶液中难以稳定沉积导致电池循环寿命短的问题（在保证能量效率相等的条件下，铕铈液流电池的循环寿命大约是锌铈液流电池的10倍），又比全钒液流电池具有更高的功率密度（在运用相同浓度的电解液时，铕铈液流电池的功率密度约是全钒液流电池的1.5倍），同时也无多硫化钠/溴、锌溴液流电池系统的环境安全隐患问题。另外，本发明为稀土资源的综合、循环和绿色利用提供了新的选择。铕铈液流电池具有结构简单，易规模化、循环寿命长，功率密度、能量密度及能量利用效率高等特点，可在风能、太阳能发电系统中作为大规模电能储存和高效转化设备，在电力、交通等行业中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例的电池性能曲线图。

图中：1为负电极，2为正电极，3为负极电解液储罐，4为正极电解液储罐，5为负极电解液输送泵，6为正极电解液输送泵，7为离子交换膜，8为电解液导管，9为电源或负载，10为电池负极室，11为电池正极室，箭头为电解液流向。

具体实施方式

如附图所示，本发明的铕铈液流电池，主要包括由负电极1、负极电解液、正电极2、正极电解液和离子交换膜7组成的多节电池单体联成的电堆，以及负极电解液储罐3，负极电解液输送泵5，正极电解液储罐4和正极电解液输送泵6。电堆中的负极室10用电解液导管8与负极电解液储罐3、负极电解液输送泵5连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室11通过电解液导管8与正极电解液储罐4、正极电解液输送泵6连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。所述负极电解液为Eu³⁺离子的酸溶液，正极电解液为Ce³⁺离子的酸溶液。

所述负极电解液的Eu³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铕溶解在10.0mol/L的甲基磺酸中配成1.0mol/LEu³⁺的水合甲基磺酸溶液。

所述正极电解液的Ce³⁺离子的酸性溶液，选用氧化铈溶解在5.0mol/L的甲基磺酸溶液中配成1.0mol/LCe³⁺的水合甲基磺酸溶液。

上述正、负极电解液的浓度高低直接影响电池的容量大小，浓度大可以获得高的电池容量，浓度低则可使电池容量变小。

电池单体的正、负电极可选用钛金属、碳毡、石墨毡、石墨板等惰性材料。离子交换膜把电池单体分隔为正极室和负极室两部分，正电极在正极室中，负电极在负极室中。所述离子交换膜选用Nafion-115型离子交换膜。

本发明的铕铈液流电池在充放电过程中，正负极电解液分别有正负极电解液输送泵不断泵入电池单体中，电解液的流动加速了电极界面中的物质传递过程，有利于降低电极反应中的电化学和浓差极化。电池的额定功率取决于电堆的大小，容量大小取决于电解液的量和浓度。

本发明的铕铈液流电池，充放电时，负、正极电解液储罐中的负、正极电解液在负、正极电解液输送泵的推动下，通过电解液导管进入负、正极室中进行电极反应，而后再流回负、正极电解液储罐中。

实施例：以1mol/LEu(CH₃SO₃)₃+2mol/LCH₃SO₃H为负极电解液(300mL)，1mol/LCe(CH₃SO₃)₃+2mol/LCH₃SO₃H为正极电解液(300mL),Nafion115为电池隔膜，碳毡为正、负电极。电池性能如图2所示，在恒定的充放电流密度下（30mA/cm²），电解液流速为20mL/min时，电池的电压效率90.3%，库伦效率93.0%，能量效率为84.0%。

Claims (2)

1.一种铕铈液流电池，包括负极电解液储罐、正极电解液储罐，其特征是：负极电解液储罐装的负极电解液为Eu³⁺离子酸性溶液，正极电解液储罐装的正极电解液为Ce³⁺离子酸性溶液；其电极反应如下：

负极反应：

正极反应：

总的电池反应为：

所述负极电解液的Eu³⁺离子酸性溶液，选用氧化铕溶解在10.0mol/L的甲基磺酸中配成1.0mol/LEu³⁺的水合甲基磺酸溶液；所述正极电解液的Ce³⁺离子酸性溶液，选用氧化铈溶解在5.0mol/L的甲基磺酸溶液中配成1.0mol/LCe³⁺的水合甲基磺酸溶液。

2.根据权利要求1所述的一种铕铈液流电池，其特征是：最佳实施方案为：以1mol/LEu(CH₃SO₃)₃+2mol/LCH₃SO₃H为负极电解液，1mol/LCe(CH₃SO₃)₃+2mol/LCH₃SO₃H为正极电解液，正、负极电解液均为300mL,Nafion115为电池隔膜，碳毡为正、负电极。