CN107093772B - 一种碱性液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱性液流电池。该碱性液流电池由电解槽，电解液，电极1，电极2组成。电解槽用以容纳溶解甲酰盐的以乙二醇为主的混合醇类溶液，并采用密封设计隔绝空气，电极1与电极2为惰性电极。在充电时，碱金属离子在负极还原成碱金属，并与乙二醇反应生成乙二醇盐。而在放电时，反应逆向进行，碱金属的醇盐重新转变为甲酰盐。本发明电解液中的甲酰盐M2·CO具有高摩尔容量的活性碱金属离子，具有更高的能量密度。因内部充填的电解质溶液能与外界水压建立平衡，本发明的液流电池尤其适合于用作各类水下潜器的动力电池。该碱性液流电池与现有液流电池相比，寿命更长，无毒性，性价比高，有较高经济价值。
Description
技术领域
本发明属于能源领域，具体涉及一种碱性液流电池。
背景技术
液流电池又称电化学氧化还原液流电池，具有使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。目前使用最广的液流电池是铅酸电池，它价格便宜，维护方便，但能量密度低，铅对环境和人体毒性大。全钒液流电池能量密度有所提高，但远不及锂电池，目前还不适合用作电动车辆的驱动电源。
本发明尝试提供一种能量密度高，寿命长，性价比高的碱金属液流电池。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，并提供一种碱性液流电池。
一种碱性液流电池，包括电解槽、电极1和电极2，电极1、电极2均放置于电解槽中，电解槽内部与外界空气隔绝。
所述的电解槽中容纳的是将甲酰盐溶解于溶剂与调节剂后形成的电解液。
所述的电极1是石墨电极、碳电极、碳纤维或石墨纤维毡电极、塑料电极，铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的负极上；放电时接用电器负极。
所述的电极2是石墨电极、碳电极、碳纤维或石墨纤维毡电极、塑料电极，铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的正极上；放电时接用电器正极。
所述的甲酰盐是一种碱金属的有机化合物，分子式为M2·CO，其中M为碱金属。所述的溶剂是乙二醇。所述的调节剂是乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇中的一种或多种。
所述的甲酰盐的制备方法包括以下步骤：
1)将碱金属甲酸盐或乙酸盐溶解于水，再按A式或B式(采用甲酸盐时按A式，采用乙酸盐时按B式)的化学计量比加入二甲基甲酰胺；
2)将混合溶液在120°至150℃烘箱中蒸干溶液，发生以下反应(采用甲酸盐时发生A式反应，采用乙酸盐时发生B式反应)，并得到甲酰盐：
所述的碱金属是锂、钠、钾中的一种。
从分子结构角度而言，甲酰盐中碳氧之间是共价键性质的双键，具有良好的化学稳定性；碳与碱金属之间的化学键具有离子键性质，在乙二醇溶液中能够电离，因此其中的碱金属具有电化学活性。在甲酰盐中碱元素摩尔比很高，因此该电池具有很高的能量密度。采用本发明的液流电池具有寿命长、维护简单、比容量高等优点，适合于用作电动车辆的动力，以及其它对电池能量密度要求高的场合。因内部充填的电解质溶液能与外界水压建立平衡，本发明的液流电池尤其适合于用作各类水下潜器的动力电池。
附图说明
图1为碱性液流电池结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的碱性液流电池结构如附图1，包括电解槽、电极1和电极2，电极1、电极2均放置于电解槽中，电解槽内部与外界空气隔绝。隔绝空气的目的是为防止电解液氧化，并防止其吸潮。
所述的电解槽中容纳的是甲酰盐溶解于溶剂后形成的饱和溶液。所述的溶剂是乙二醇。乙二醇在加入电解槽前应去除水分。
在电解槽中需加入相当于溶液重量1％至10％的调节剂，所述的调节剂是乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇中的一种或多种。加入调节剂的目的是调整电解液的物理性质，如粘度、沸点、冰点等，改善它的环境适应性。调节剂中不能含有水分。
甲酰盐M2·CO的制备方法步骤如下：
1)将碱金属M的甲酸盐或乙酸盐溶解于水，再按A式或B式的化学计量比加入二甲基甲酰胺；
2)将混合溶液在120°至150℃烘箱中蒸干溶液，发生以下反应：
建议用丙酮淋洗固相，去除残留的二甲基甲酰胺，甲酰盐不溶于丙酮。
A式和B式的化学反应动力学机制，一方面是二甲基甲酰胺的水解趋势，另一方面是碱金属甲酸盐、乙酸盐加热后的分解趋势。得到的甲酰盐是一种碱金属的有机化合物，分子式为M2·CO。甲酰盐中碳氧之间是共价键性质的双键，碳与碱金属之间的化学键具有离子键性质。甲酰盐易溶于乙二醇，在丙三醇中能溶，而在其它醇类中溶解度低。
甲酰盐溶解后电离成碱金属离子和酰基：
所述的碱金属M是锂、钠、钾中的一种
充电过程中碱金属离子从接入电解槽的电极1(负极)得到电子，形成碱金属，电化学反应为：
使用不同碱金属时，(2)式的标准电极电位列于表1，充放电电压的设置应参考该表1数据。
表1：相关反应的标准电极电位
(2)式生成的碱金属与溶剂中的乙二醇反应，生成醇金属化合物：
乙二醇与碱金属反应生成乙二醇盐，是一种醇盐，在溶剂中易溶。合并(1)式至(3)得到：
(4)式左侧代表电解槽1中的初始(充电前)状态，是甲酰盐的乙二醇溶液。充电时从外接电源导入电子，(4)朝右侧进行；充电结束时(充电饱和态)电解槽1中的溶液是乙二醇盐和甲酰酸；放电时(4)式朝相反方向进行，生成甲酰盐和乙二醇，并释放出电子。乙二醇盐、甲酰盐、甲酰酸都易溶于以乙二醇为主的溶剂。
根据(4)式的综合反应式，在充放电过程中，电解槽1不会释放出氢气，而且碱金属仅为过渡性中间产物，电解槽1内实际上不会出现稳定存在的碱金属。从综合化学反应式上看，本发明提供的碱性液流电池的安全性优于锂电池。
所述的电极1是石墨电极、碳电极、碳纤维或石墨纤维毡电极、塑料电极，铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的负极上；放电时接用电器负极。
所述的电极2是石墨电极、碳电极、碳纤维或石墨纤维毡电极、塑料电极，铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的正极上；放电时接用电器正极。
在充、放电过程中，电极1和电极2上没有化学反应发生，它们属于惰性集流电极。制作电极的材料应选用导电性能良好的惰性材料。比表面积大的多孔材料有利于提高电极的性能。建议优先考虑使用石墨纤维毡、碳纤维毡制作电极。
下面结合实施例对本发明作详细说明。
实施例1
1)称取0.5kg甲酸锂溶解于10L水中，加入0.35kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中120℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰锂0.2kg。
3)将上一步得到的甲酰锂(Li2·CO)0.2kg，溶解于10kg乙二醇中，再加入调节剂丙三醇1kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根石墨纤维毡电极和一根碳纤维电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
实施例2
1)称取1.58kg乙酸锂溶解于30L水中，加入0.88kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中135℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰锂0.5kg。
3)将上一步得到的甲酰锂(Li2·CO)0.5kg，溶解于25kg乙二醇中，再加入调节剂丙三醇1.5kg，乙醇0.5kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根碳纤维电极和一根石墨电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
实施例3
1)称取0.74kg甲酸纳溶解于15L水中，加入0.4kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中140℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰钠0.4kg。
3)将上一步得到的甲酰钠(Na2·CO)0.4kg，溶解于20kg乙二醇中，再加入调节剂乙醇1kg，异丙醇0.6kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根石墨纤维毡电极和一根塑料电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
实施例4
1)称取1.11kg乙酸钠溶解于22L水中，加入0.5kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中145℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰钠0.5kg。
3)将上一步得到的甲酰盐(Na2·CO)0.5kg，溶解于25kg乙二醇中，再加入调节剂丙三醇1.5kg，丙醇0.5kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根石墨电极和一根铜锑锡合金电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
实施例5
1)称取1.11kg甲酸钾溶解于23L水中，加入0.49kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中150℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰钾0.7kg。
3)将上一步得到的甲酰盐(K2·CO)0.7kg，溶解于35kg乙二醇中，再加入调节剂丙三醇1.8kg，丙醇1kg，乙醇0.5kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根碳电极和一根锑锡银合金电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
实施例6
1)称取1.48kg乙酸钾溶解于30L水中，加入0.56kg二甲基甲酰胺，搅拌成均匀的混合溶液。
2)将该混合溶液转移到烘箱中130℃烘干，直至完全烘干，用丙酮淋洗，在真空烘箱中蒸干丙酮，得到甲酰钾0.8kg。
3)将上一步得到的甲酰钾(K2·CO)0.8kg，溶解于40kg乙二醇中，再加入调节剂丙三醇1kg，异丙醇1kg，乙醇1kg。
4)将溶解好的电解液移入一个可密封的电解槽中。
5)在电解槽的两端分别插入一根锑锡银合金电极和一根塑料电极作为电极1和电极2；电极的一头浸入到电解液中，另一头连接导线。
6)将制备好的流液电池装置排出空气后密封。
7)将电极1和电极2的导线分别连接电源负载的负极和正极，进行充电测试。
8)充电完成后，将该装置的电极1和电极2分别连接电器的负极和正极，进行放电测试。
该电池理论依据成熟，结构简单，制作容易，耐候性好，适用性广。碱金属离子载体甲酰盐中活性碱金属离子摩尔容量高，因此该电池具有很高的能量密度。它兼有液流电池寿命长、维护简单，以及固态锂离子电池比容量高的优点，适合于用作电动车辆的动力，以及其它对电池能量密度要求高的场合。
Claims (6)
1.一种碱性液流电池，其特征在于，包括电解槽、电极1和电极2，电极1、电极2均放置于电解槽中，电解槽内部与外界空气隔绝；所述的电解槽中容纳的是将甲酰盐溶解于溶剂与调节剂后形成的电解液；所述的甲酰盐是一种碱金属的有机化合物，分子式为M2·CO，其中M为碱金属；所述的调节剂是乙醇、正丙醇、异丙醇、丙三醇中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的碱性液流电池，其特征在于，所述的电极1是石墨电极、碳纤维或塑料电极、铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的负极上；放电时接用电器负极。
3.如权利要求1所述的碱性液流电池，其特征在于，所述的电极2是石墨电极、碳纤维或塑料电极、铜锑锡银金属或合金电极中的一种，充电时连接在外接直流电源的正极上；放电时接用电器正极。
4.如权利要求1所述的碱性液流电池，其特征在于，所述的溶剂是乙二醇。
5.如权利要求1所述的碱性液流电池，其特征在于所述的甲酰盐的制备方法包括以下步骤：
1)将碱金属甲酸盐或乙酸盐溶解于水，再按A式或B式的化学计量比加入二甲基甲酰胺；
2)将混合溶液在120℃至150℃烘箱中蒸干溶液，发生以下反应，并得到甲酰盐：
6.如权利要求1或5所述的碱性液流电池，其特征在于，所述的碱金属是锂、钠、钾中的一种。
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