CN105810986A - 锌铁基离子液体液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种新型的锌铁基离子液体液流电池，属于电化学领域，可广泛应用于新能源的大规模储能。本发明由于选用溶解力很强的离子液体来制备正负极电解液，因而获得了高浓度的活性物质。对于负极的锌基离子液体来说，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1‑3):1。对于正极的铁基离子液体来说，前驱体氟化亚铁与前驱体离子液体的摩尔比为(1‑3):1。本发明的能量密度可达到现有水介质锌铁液流电池能量密度的3倍以上。

Description

锌铁基离子液体液流电池
技术领域
本发明涉及到一种新型的锌铁基离子液体液流电池，属于电化学领域，可广泛应用于新能源的大规模储能。
背景技术
二十一世纪人类面临多种严峻的挑战，如气候变暖、土地沙化、能源枯竭等。世界各国政府高度重视新能源的开发利用。储能技术是新能源利用的关键技术。现有的电力储能技术有抽水电站、压缩空气、超导磁和电池等等。液流电池是一种新型的大容量氧化还原电化学储能装置。与常规电池不同，液流电池的活性物质不在电极上，而是溶解在电解液中，是电解液的组成成分。液流电池的电极是电化学惰性材料，只为电极反应提供场所，而不参与成流的电极反应。因而，液流电池的功率和容量是可以独立设计的。其功率取决于电极和电堆的尺寸，容量则取决于电解液的量和浓度。
当前，锌铁液流电池的研究仅限于水介质体系，包括碱性体系和酸性体系。碱性体系的负极反应为：
正极反应为：
该碱性体系负极电解液活性物质的浓度约为1.5mol/L，正极电解液活性物质的浓度约为0.5mol/L。如果换算成溶质与溶剂的摩尔比，负极电解液为1∶37，正极电解液为1∶112。
锌铁液流电池的酸性体系的负极反应为：
正极反应为：
该酸性体系负极电解液活性物质的浓度约为2.0mol/L,正极电解液活性物质的浓度约为1.0mol/L。如果换算成溶质与溶剂的摩尔比，负极电解液为1∶28，正极电解液为1∶56。从能量密度来说，这么低的活性物质浓度是不能满足实际需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，克服现有液流电池的不足之处，拓宽锌铁资源的利用范围。
本发明主要是在现有液流电池的基础上改进而成。本发明主要由负极、负极电解液、正极、正极电解液和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极电解液置于负极储液罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极电解液置于正极储液罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极储液罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极储液罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。本发明的关键在于所述负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铁基离子液体。
所述负极电解液的锌基离子液体，选用氟化锌溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成锌基离子液体，其结构式如下：
n＝1-3，锌基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；
所述正极电解液的铁基离子液体，选用氟化亚铁溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成铁基离子液体，其结构式如下：
n＝1-3，铁基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质。
正负极电解液中均含有质量百分比为0.5％—10％的氟化钠。
本发明的锌铁基离子液体液流电池以锌基离子液体作为负极活性物质，铁基离子液体为正极活性物质，其电极反应如下：
负极反应：
正极反应：
其工作原理是利用不同价态锌铁基离子液体之间的氧化还原反应来实现能量的转换，正、负极活性物质为液态的铁锌基离子液体，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，锌基离子液体还原成锌，二价铁基离子液体氧化成三价铁基离子液体；放电时，锌氧化成锌基离子液体，三价铁基离子液体还原成二价铁基离子液体。电池单体的正、负极标准电势差为1.60V。
本发明的锌铁基离子液体液流电池，由于选用溶解力很强的离子液体来制备正负极电解液，因而获得了高浓度的活性物质。对于负极的锌基离子液体来说，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。对于正极的铁基离子液体来说，前驱体氟化亚铁与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。考虑到离子液体的分子量和体积比水分子的要大，锌铁基离子液体活性物质的浓度约为水介质锌铁液流电池活性物质浓度的3倍以上；也就是，本发明提供的锌铁基离子液体液流电池的能量密度可达到现有水介质锌铁液流电池能量密度的3倍以上。
附图说明
图1是本发明的锌铁基离子液体液流电池单体的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示(图中箭头为电解液流向)，本发明主要由负极、负极电解液、正极、正极电解液和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极电解液置于负极储液罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极电解液置于正极储液罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极储液罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极储液罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。所述负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铁基离子液体。
所述负极电解液的锌基离子液体，选用前驱体氟化锌溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到。
所述正极电解液的铁基离子液体，选用前驱体氟化亚铁溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到。
电池单体的正、负极可选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸或碳布等惰性材料。离子交换膜把电池单体分隔为正极室和负极室两部分，正极在正极室中，负极在负极室中。所述离子交换膜选用阴离子交换膜。
本发明在充放电过程中，正负极电解液分别由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。
本发明充放电时，负、正极储液罐中的负、正极电解液在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、正极储液罐中。
实施例1：
阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体(n＝1)+5％NaF溶液，正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铁氟三氟乙酸盐离子液体(n＝1)+5％NaF溶液。充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min。电池的能量密度为106Wh/L，是水介质锌铁液流电池能量密度(35Wh/L)的3.03倍。
实施例2：
阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体(n＝2)+0.5％NaF溶液，正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铁氟三氟乙酸盐离子液体(n＝2)+10％NaF溶液。充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min。电池的能量密度为166Wh/L，是水介质锌铁液流电池能量密度(35Wh/L)的4.74倍。
实施例3：
阴离子交换膜将电池的正负极室隔开；以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2。负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体(n＝3)+10％NaF溶液，正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铁氟三氟乙酸盐离子液体(n＝3)+5％NaF溶液。充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min。电池的能量密度为213Wh/L，是水介质锌铁液流电池能量密度(35Wh/L)的6.09倍。

Claims (6)

1.一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，包括正负极和正负极电解液，其特征是：所述的负极电解液为锌基离子液体，正极电解液为铁基离子液体；
所述的负极电解液的锌基离子液体，选用氟化锌溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成锌基离子液体，其结构式如下：
其中n＝1-3，锌基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；
所述的正极电解液的铁基离子液体，选用氟化亚铁溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐中配成铁基离子液体，其结构式如下：
其中n＝1-3，铁基离子液体是单一物质，不是混合物，它既是溶剂又是活性物质；
正负极电解液中均含有质量百分比为0.5％—10％的氟化钠。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，其特征是：正负极反应如下：
负极反应：
正极反应：
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，其特征是：所述的负极电解液的锌基离子液体，选用前驱体氟化锌溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到，前驱体氟化锌与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1；
所述正极电解液的铁基离子液体，选用前驱体氟化亚铁溶解在前驱体1,3-二烷基咪唑三氟乙酸盐离子液体中得到，前驱体氟化亚铁与前驱体离子液体的摩尔比为(1-3):1。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，其特征是：单体电池的正、负极标准电势差为1.60V。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，其特征是：正负极选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸或碳布惰性材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度锌铁基离子液体液流电池，其特征是：以碳毡做正、负极，二者的表观面积均为20cm2；负极电解液为100克1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体和质量百分比为10％的NaF溶液；正极电解液为200克1-甲基,3-丙基咪唑铁氟三氟乙酸盐离子液体和质量百分比为5％的NaF溶液；充放电电流为200mA，电解液流速为5mL/min，电池的能量密度为213Wh/L，是水介质锌铁液流电池能量密度的6.09倍；
其中：1-甲基,3-丙基咪唑锌氟三氟乙酸盐离子液体的n＝3；1-甲基,3-丙基咪唑铁氟三氟乙酸盐离子液体的n＝3。
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