CN110556560A - 一种儿茶酚类正极电解液及其在液流电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池领域，具体为一种使用儿茶酚及其衍生物作为活性物质的电解液及其在液流电池中的应用。正极电解液由正极活性物质和支持电解液组成，正极活性物质为儿茶酚或其衍生物，支持电解液为酸性水溶液。正极活性物质包括儿茶酚、多巴胺、肾上腺素、异丙肾上腺素、去氧肾上腺素及其盐中的一种或两种以上。支持电解液的电解质包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸等强酸中的一种或两种以上。本发明中提到的儿茶酚类正极电解液及其液流电池具有电化学活性好、无毒，不含任何稀有元素的优势，电池容量高、安全可靠，价格和资源优势明显。

Description

一种儿茶酚类正极电解液及其在液流电池中的应用
技术领域
本发明涉及液流电池领域，具体为一种使用儿茶酚及其衍生物作为活性物质的电解液及其在液流电池中的应用。
背景技术
化石资源消耗与需求的快速增长制约了人类的生存与发展。风能、太阳能等可再生资源的应用能够有效降低对化石能源的依赖和环境污染。但是可再生资源的波动性和非稳定性制约了其广泛应用。与之匹配的高效储能技术可进一步推进可再生资源的市场发展和确保国家战略能源安全。在众多储能技术中，液流电池具有安全、高效的优势，已成为大规模储能的首选之一。目前较为成熟的液流电池主要为全钒液流电池，但由于钒价格昂贵、资源有限，制约了其更加广泛的应用。因此，开发无毒、低成本的新型电解液体系势在必行。
发明内容
为了克服传统液流电池的不足之处，本发明的目的在于提供一种儿茶酚类液流电池正极电解液，并以该电解液为基础构建一种高能量密度、性能安全可靠、低成本的新型儿茶酚类液流电池。
有鉴于此，本发明的技术方案是：
一种儿茶酚类正极电解液，由正极活性物质和支持电解液组成，正极活性物质为儿茶酚或其衍生物，支持电解液为酸性水溶液。
所述的儿茶酚类正极电解液，正极活性物质包括儿茶酚、多巴胺、肾上腺素、异丙肾上腺素、去氧肾上腺素及其盐中的一种或两种以上。
所述的儿茶酚类正极电解液，支持电解液的电解质包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的一种或两种以上。
所述的儿茶酚类正极电解液，正极活性物质的总浓度为0.01～2mol L-1。
所述的儿茶酚类正极电解液，支持电解液的总浓度为0.1～6mol L-1。
所述的儿茶酚类正极电解液，支持电解液根据正极活性物质进行选择使用，以溶解度高并形成均匀的溶液为准，支持电解液选择一种或两种以上电解质使用。
所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，以儿茶酚或其衍生物的酸性溶液作为正极电解液使用，同时以惰性气体去除正极电解液中的氧。
所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，液流电池包括正极储液罐、负极储液罐、隔膜、电极一、泵、电极二、集流体一、集流体二，正极储液罐的底部通过管路与电极一的底部相连接，正极储液罐的顶部通过管路与电极一的顶部相连接，电极一的外侧与集流体一紧密接触连接，形成液流电池的正极；负极储液罐的底部通过管路与电极二的底部相连接，负极储液罐的顶部通过管路与电极二的顶部相连接，电极二的外侧与集流体二紧密接触连接，形成液流电池的负极；液流电池的正极与液流电池的负极之间设置隔膜，电极一、电极二的内侧之间分别与隔膜的两侧紧密接触连接，正极储液罐内装有儿茶酚类正极电解液，负极储液罐内装有负极电解液。
所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，液流电池的正负极电极选用多孔碳毡、石墨毡或碳布，液流电池的正负极集流体采用铜板与石墨板的复合材料，液流电池的隔膜为离子交换膜。
本发明的设计思想是：
针对传统液流电池受到高成本、资源限制、能量密度低等不足，本发明提出一种新型儿茶酚类正极电解液及其在液流电池中的应用。本发明提出的儿茶酚类正极电解液不含任何金属元素，成本低廉、无毒无污染。同时，该儿茶酚类正极电解液表现出良好的电化学活性及电化学稳定性。儿茶酚类活性物质在酸性支持电解质中可发生两电子转移过程；同时，相比于其他有机活性物质，儿茶酚类在水溶液中具有的较高溶解度，两者共同作用下，提高了电解液的容量。另外，由于儿茶酚类正极电解液具有较高的氧化还原电位，其在液流电池中的应用可提高电池电压。两电子过程和较高的溶解度以及电位，三者协同作用下进一步提高了儿茶酚类液流电池的能量密度。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供的儿茶酚类正极电解液及其液流电池具有低成本、无毒无污染、不含金属离子、高电压的优势。
2、本发明中提到的儿茶酚类正极电解液及其液流电池具有电化学活性好、无毒，不含任何稀有元素的优势，电池容量高、安全可靠，价格和资源优势明显。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的多巴胺作为正极电解液的工作原理图。其中， vs SHE表示多巴胺正极电解液的氧化还原电位相对于标准氢电极电位为0.78V。
图2为本发明儿茶酚类液流电池链接示意图。图中，1正极储液罐；2负极储液罐；3隔膜；4电极一；5电极二；6集流体一；7集流体二；8泵一；9泵二。
图3为根据本发明一个实施例的多巴胺正极电解液在室温下循环伏安曲线。图中，横坐标Potential代表电压V(相对于饱和甘汞电极)，纵坐标Current代表电流(10-4A)。
图4为根据本发明一个实施例的多巴胺/钒液流电池循环效率图。图中，横坐标Cycle number代表循环次数，纵坐标Efficiency代表效率(％)。
图5为根据本发明一个实施例的多巴胺/钒液流电池充放电曲线。图中，纵坐标Cell potential代表电池电压(V)。
图6为根据本发明一个实施例的多巴胺/钒液流电池不同电流密度下的循环效率图。图中，横坐标Cycle number代表循环次数，纵坐标Efficiency代表效率(％)。
具体实施方式
在具体实施过程中，根据本发明的一个实施列的该电解液的工作原理如图1所示。以该电解液为基础构建的、根据本发明的一个实施例的新型儿茶酚类液流电池的工作原理图如图2所示，该电解液及电池性能如图3～6所示。
如图2所示，以该电解液为基础构建的、根据本发明的一个实施例的新型儿茶酚类液流电池的工作原理如下：
正极储液罐1的底部通过管路(该管路上设置泵一8)与电极一4的底部相连接，正极储液罐1的顶部通过管路与电极一4的顶部相连接，电极一4的外侧与集流体一6紧密接触连接，形成液流电池的正极。负极储液罐2的底部通过管路(该管路上设置泵二9)与电极二5的底部相连接，负极储液罐2的顶部通过管路与电极二5的顶部相连接，电极二5的外侧与集流体二7紧密接触连接，形成液流电池的负极。液流电池的正极与液流电池的负极之间设置隔膜3，电极一4、电极二5的内侧之间分别与隔膜3的两侧紧密接触连接，正极储液罐1内装有儿茶酚类正极电解液，负极储液罐2内装有负极电解液。充电时，正极电解液失电子被氧化，负极电解液得电子被还原；放电时相反，即正极电解液得电子被还原，负极电解液失电子被氧化。
以下结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例中，以摩尔浓度0.5M的H2SO4水溶液为溶剂，将0.38g多巴胺盐酸盐溶于以上溶液，多巴胺的摩尔浓度为0.2mol L-1。构建以玻碳电极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系，使用美国Gamry(reference 600)电化学工作站在室温下对该正极电解液进行循环伏安扫描，扫速为50mV s-1。如图3所示，由循环伏安曲线可以看出，多巴胺在0.53V( vs SHE)处发生可逆氧化还原反应，并在高达1V的电位下未见析氧副反应，可见多巴胺在测试条件下具有良好的电化学活性。
实施例2
本实施例中，电解液配制及电池组装：
正极电解液：摩尔浓度0.2M多巴胺+摩尔浓度3M的H2SO4水溶液；负极电解液：摩尔浓度0.2M的V2++摩尔浓度3M的H2SO4水溶液。将配置的电解液按照图2样式组装成单电池进行测试。正负极的集流体采用铜板与石墨板的复合材料，正负极的电极采用3×3cm多孔碳毡，隔膜选用离子交换膜。
电池循环性能测试：
正极取10mL配制的正极电解液，负极取20mL配制的负极电解液，通氮气后密封，用泵循环，流速为30mL min-1，充放电仪进行电池循环性能测试。电压范围为0.4～1.4V，恒流充放电20mA cm-2。如图4所示，由多巴胺/钒液流电池循环效率图可以看出，100个循环电池的平均库伦效率可达98.5％，电压效率为66％，能量效率为65％。如图5所示，由电池充放电曲线可以看出，电池电压可以达到约1.04V，并未发生明显的副反应。
实施例3
本实施例中，按照实施例2所配制电解液成分和电池组装方案，在不同电流密度下对电池进行循环性能测试。电解液流速为30mL min-1，电压范围为0.4～1.4V，充放电电流密度为20～60mA cm-2。如图6所示，由多巴胺/钒液流电池不同电流密度下的循环效率图可知，该电池在60mA cm-2的充放电条件下，能量效率可保持在51％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种儿茶酚类正极电解液，其特征在于，由正极活性物质和支持电解液组成，正极活性物质为儿茶酚或其衍生物，支持电解液为酸性水溶液。
2.按照权利要求1所述的儿茶酚类正极电解液，其特征在于，正极活性物质包括儿茶酚、多巴胺、肾上腺素、异丙肾上腺素、去氧肾上腺素及其盐中的一种或两种以上。
3.按照权利要求1所述的儿茶酚类正极电解液，其特征在于，支持电解液的电解质包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的一种或两种以上。
4.按照权利要求1所述的儿茶酚类正极电解液，其特征在于，正极活性物质的总浓度为0.01～2mol L-1。
5.按照权利要求1所述的儿茶酚类正极电解液，其特征在于，支持电解液的总浓度为0.1～6mol L-1。
6.按照权利要求1所述的儿茶酚类正极电解液，其特征在于，支持电解液根据正极活性物质进行选择使用，以溶解度高并形成均匀的溶液为准，支持电解液选择一种或两种以上电解质使用。
7.一种权利要求1至6之一所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，其特征在于，以儿茶酚或其衍生物的酸性溶液作为正极电解液使用，同时以惰性气体去除正极电解液中的氧。
8.按照权利要求7所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，其特征在于，液流电池包括正极储液罐、负极储液罐、隔膜、电极一、泵、电极二、集流体一、集流体二，正极储液罐的底部通过管路与电极一的底部相连接，正极储液罐的顶部通过管路与电极一的顶部相连接，电极一的外侧与集流体一紧密接触连接，形成液流电池的正极；负极储液罐的底部通过管路与电极二的底部相连接，负极储液罐的顶部通过管路与电极二的顶部相连接，电极二的外侧与集流体二紧密接触连接，形成液流电池的负极；液流电池的正极与液流电池的负极之间设置隔膜，电极一、电极二的内侧之间分别与隔膜的两侧紧密接触连接，正极储液罐内装有儿茶酚类正极电解液，负极储液罐内装有负极电解液。
9.按照权利要求8所述的儿茶酚类正极电解液在液流电池中的应用，其特征在于，液流电池的正负极电极选用多孔碳毡、石墨毡或碳布，液流电池的正负极集流体采用铜板与石墨板的复合材料，液流电池的隔膜为离子交换膜。
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