CN104716385A - 一种钒锰混合液流电池 - Google Patents

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赖勤志
张华民
程元徽
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Abstract

本发明涉及一种钒锰混合储能电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池组成的电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐，正极电解液为含有四价钒和二价锰的酸溶液，负极电解液为含有三价钒和二价锰的酸溶液;利用了锰离子氧化还原反应电位较高的优点，提升了全钒液流电池的充放电电压，提高了电池的电池容量和能量密度。

Description

一种钒锰混合液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池，具体地说是一种钒锰混合液流电池。
背景技术
氧化还原液流电池是指电池正、负极活性物质主要存在于电解液中，分别装在储液罐中，通过液泵循环流经电池，电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开的电池装置。最早是由Thaller L.H于1974年提出的一种化学储能装置。电池外接负载和电源，电池组和电解液储液罐可以分开放置，因而可以因地制宜的安排相对位置。
全钒液流电池是一种低能耗、高效率、环境友好型的液流电池，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。
但是目前的全钒液流电池存在能量密度低的缺点，限制了其大规模使用。
发明内容
本发明通过将锰离子加入到正负极电解液中，利用了锰离子氧化还原反应电位较高的优点，提升了全钒液流电池的充放电电压，提高了电池的电池容量和能量密度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
该电池包括一节单电池或两节以上单电池组成的电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐，正极电解液为含有四价钒和二价锰的酸溶液，负极电解液为含有三价钒和二价锰的酸溶液；
正极电解液储罐内装填有正极电解液，正极电解液储罐经液体输送泵通过管路单电池或电堆的正极入口和出口相连；
负极电解液储罐内装填有负极电解液，负极电解液储罐经液体输送泵通过管路单电池或电堆的负极入口和出口相连。
电池充电时，正极首先发生四价钒至五价钒的氧化反应，随着四价钒的消耗，充电电压逐渐上升，二价锰离子逐步参与电化学成流反应，生成三价锰，负极自始至终都为三价钒至二价钒的还原反应；
放电时，正极首先发生三价锰至二价锰的氧化反应，随着三价锰的消耗，五价钒逐步参与电化学成流反应，生成四价钒；负极首先发生负极自始至终都为二价钒至三价钒的氧化反应。
正极电解液为浓度0.1-4mol/L四价钒离子和0.1-0.4mol/L锰离子的酸溶液，负极电解液为浓度0.1-4mol/L三价钒离子和0.1-0.4mol/L锰离子的酸溶液，所述酸浓度为0.5-5mol/L。
所述酸为盐酸、硫酸、磷酸中一种或二种以上酸的混合体系。
正、负极电解液于储罐中的体积装填量为1:1-1:2。
正极和负极均采用碳毡电极或由碳材料制备的电极。
本发明的有益效果:
本发明通过将锰离子加入到正负极电解液中，利用了锰离子氧化还原反应电位较高的优点，提升了全钒液流电池的充放电电压，提高了电池的电池容量和能量密度，80mA/cm2运行，能量效率达到80%左右，容量提升1-2倍，并且循环稳定性得到了验证。
附图说明
图1为钒锰混合液流电池结构示意图；
1、正极；2、负极；3、隔膜；4、端板；5、正极电解液储罐；6、负极电解液储罐；7、管路；8、泵；
图2为实施例与对比例充放电曲线比较；
图3为实施例循环性能曲线。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
对比例
全钒液流储能电池
1)正负极采用5*5*0.3cm碳毡；
2)正极电解液采用60mL的1.5mol mol/L四价钒的3mol/L硫酸溶液；
3)负极电解液采用60mL的1.5mol mol/L三价钒的3mol/L硫酸溶液；
4)隔膜采用阳离子膜Nafion115；
5)电池充放电制度：80m A/cm2，充电截止电压：1.55V，放电截止电压：1.0V。
实施例
钒锰混合液流电池
1）正负极采用5*5*0.3cm碳毡；
2）正极电解液采用60mL的1.5mol mol/L四价钒+0.2mol mol/L二价锰的3mol/L硫酸溶
液；
3）负极电解液采用75mL的1.5mol mol/L三价钒+0.2mol mol/L二价锰的3mol/L硫酸溶液；
4）隔膜采用阳离子膜Nafion115；
5）电池充放电制度：80m A/cm2，充电截止电压：2.00V，放电截止电压：1.0V。
从图2中可以看出，实施例的充电曲线在1.35V以后出现了明显的由二价锰氧化所产生的充电平台，相比对比例显示了更长的充电时间，意味着更高的充电容量；而且，实施例的放电时间相比对比例也显著增长，显示了更高的放电容量。
从图3中可以看出，实施例的循环稳定性优良，能量效率稳定在80%左右150次循环左右无明显衰减。

Claims (6)

1.一种钒锰混合液流电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池组成的电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐，其特征在于：正极电解液为含有四价钒和二价锰的酸溶液，负极电解液为含有三价钒和二价锰的酸溶液；
正极电解液储罐内装填有正极电解液，正极电解液储罐经液体输送泵通过管路单电池或电堆的正极入口和出口相连；
负极电解液储罐内装填有负极电解液，负极电解液储罐经液体输送泵通过管路单电池或电堆的负极入口和出口相连。
2.如权利要求1所述的钒锰混合液流电池，其特征在于：
电池充电时，正极首先发生四价钒至五价钒的氧化反应，随着四价钒的消耗，充电电压逐渐上升，二价锰离子逐步参与电化学成流反应，生成三价锰，负极自始至终都为三价钒至二价钒的还原反应；
放电时，正极首先发生三价锰至二价锰的氧化反应，随着三价锰的消耗，五价钒逐步参与电化学成流反应，生成四价钒；负极首先发生负极自始至终都为二价钒至三价钒的氧化反应。
3.如权利要求1所述的钒锰混合液流电池，其特征在于：
正极电解液为浓度0.1-4mol/L四价钒离子和0.1-0.4mol/L锰离子的酸溶液，负极电解液为浓度0.1-4mol/L三价钒离子和0.1-0.4mol/L锰离子的酸溶液，所述酸浓度为0.5-5mol/L。
4.如权利要求3所述的钒锰混合液流电池，其特征在于：所述酸为盐酸、硫酸、磷酸中一种或二种以上酸的混合体系。
5.如权利要求1所述的钒锰混合液流电池，其特征在于：正、负极电解液于储罐中的体积装填量为1:1-1:2。
6.如权利要求1所述的钒锰混合液流电池，其特征在于：正极和负极均采用碳毡电极或由碳材料制备的电极。
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