CN111293340A - 中性有机氧化还原液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中性有机氧化还原液流电池,以甲基二氯紫精为负电极电解液,甲基二茂铁为正电极电解液,并添加KCl溶液作为支撑电解质溶液;正负电极电解质之间放置具有传导氯离子功能的离子交换膜。电池两端均连接外部储罐,再用泵提供电池循环所需的电解质溶液。有机物的原材料来源广泛,价格低廉,且可以通过低碳排放的方式实现绿色电池循环。采用本发明所述的液流电池具有电化学活性高、能量密度高、价格低、装配工艺简单的特点,适宜被大规模的推广。
Description
技术领域
本发明属于液流电池技术领域,具体涉及一种中性有机氧化还原液流电池。
背景技术
二十一世纪以来,城市化进程与人口数目增加,全球的能源需求成为一个重要的问题。电化学储能是现代社会中应用最广泛的电气工程技术之一。目前,可充电插层电池,由于其能量密度和循环寿命的优越性,在日益增长的电子市场上得到了迅速的发展。然而,高成本和安全问题限制了它们在大规模EES系统中的应用。与这些静态电池相比,氧化还原液流电池具有克服这些缺点的巨大潜力。
氧化还原液流电池是固定储能的极有前途的选择。最吸引人的特点是:可伸缩性和灵活性、独立的功率和能源规模、高往返效率、高DOD、长耐久性、快速响应能力而且能减少对于环境的影响。这些特点它成为理想的储能电池。
全钒液流电池是目前研究最广泛的液流电池技术。全钒液流电池的应用最为广泛,但其成本高,能量密度低,阻碍了其大规模应用。
发明内容
本专利发挥液流电池的优点,提出了一种中性有机氧化还原液流电池系统,该电池具有成本低、毒性小,寿命长,能量密度大,装配简单的优点。
为解决上述优点,本发明采用如下技术方案:
一种中性有机氧化还原液流电池,该电池电解液为中性有机溶液,采用0.8~1.2mmol/L的甲基二氯紫精溶液为负电极电解液,0.8~1.2mmol/L的甲基二茂铁溶液为正电极电解液,并添加0.5mol/L KCl溶液作为支撑电解质溶液;负电极上发生还原反应,反应方程式为:正电极上发生氧化反应,反应方程式为:总反应方程式为:
该电池由端板1、铜集电极2、石墨板3、密封垫片4、正电极5-1,负电极5-2、隔膜6、电极框7和紧固件构成;所述正电极5-1和负电极5-2之间设有用于交换离子的隔膜6,使得流经正电极5-1和负电极5-2的电解液与隔膜6直接接触,在隔膜6与石墨板3之间设有用于密封正电极5-1和负电极5-2的中空形状的密封垫片4,该密封垫片4的外形尺寸与隔膜6的外形尺寸相同;端板1与电极框7采用面密封方式;所述隔膜6位于中心,正电极5-1和负电极5-2分别位于隔膜6两侧,密封垫片4设置在正负电极外周圈,石墨板3设置在密封垫片4外侧,端板1设置在石墨板3外侧,铜集电极2贴于端板1内侧,以上所有部件形成左右对称关系并位于电极框7之间。电池两端均连接外部储罐,再用泵提供电池循环所需的电解质溶液。
所述隔膜6为传导氯离子功能的离子交换膜。
所述正电极5-1和负电极5-2为石墨毡,对石墨毡表面增加孔道,保持电池的库伦效率使得电解质溶液在电极的保留时间更长,增加库伦效率。
所述端板1为碳素导电复合材料板。
由于以上技术方案实施,本发明与现有技术相比具有如下优点。
1、本发明中性有机氧化还原液流电池,采用中性有机电解液,成本低、电化学活性高、毒性小、寿命长、能量密度大,且提高了液流电池的循环寿命和电池比容量。
2、制备的有机氧化还原电池可用于中性液流电池体系中,是一种来源广泛,性能可调控强,成本低活性高,在电动工具、电动车、电网等储能方面有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的电池结构图。
图2是本发明的设计孔道结构的石墨毡图。
图3是本发明实施例负极电解液循环伏安曲线。
图4是本发明实施例正极电解液循环伏安曲线。
图5是本发明实施例具有孔道结构的组装液流电池充放电循环图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种中性有机氧化还原液流电池,该电池电解液为中性有机溶液,采用0.8~1.2mmol/L的甲基二氯紫精溶液为负电极电解液,0.8~1.2mmol/L的甲基二茂铁溶液为正电极电解液,并添加0.5mol/L KCl溶液作为支撑电解质溶液;负电极上发生还原反应,反应方程式为:正电极上发生氧化反应,反应方程式为:总反应方程式为:
作为本发明的优选实施方式,该电池由端板1、铜集电极2、石墨板3、密封垫片4、正电极5-1,负电极5-2、隔膜6、电极框7和紧固件构成;所述正电极5-1和负电极5-2之间设有用于交换离子的隔膜6,使得流经正电极5-1和负电极5-2的电解液与隔膜6直接接触,在隔膜6与石墨板3之间设有用于密封正电极5-1和负电极5-2的中空形状的密封垫片4,该密封垫片4的外形尺寸与隔膜6的外形尺寸相同;;端板1与电极框7采用面密封方式;所述隔膜6位于中心,正电极5-1和负电极5-2分别位于隔膜6两侧,密封垫片4设置在正负电极外周圈,石墨板3设置在密封垫片4外侧,端板1设置在石墨板3外侧,铜集电极2贴于端板1内侧,以上所有部件形成左右对称关系并位于电极框7之间。
作为本发明的优选实施方式,所述隔膜6为传导氯离子功能的离子交换膜。
作为本发明的优选实施方式,所述正电极5-1和负电极5-2为石墨毡,对石墨毡表面增加孔道,保持电池的库伦效率使得电解质溶液在电极的保留时间更长,增加库伦效率。
作为本发明的优选实施方式,所述端板1为碳素导电复合材料板。
实施例
在隔膜6使用前需进行预处理:首先将剪切好的膜,泡于去离子水中一段时间,然后在0.5mol/L的KCl溶液中将其浸泡2小时。在每次全电池系统电化学性能测试前都对隔膜6进行预处理,以使其在测试中尽可能保持相同的状态。
本实施例隔膜6膜长100mm,宽80mm。
实施例负电极电解液循环伏安曲线见图3。用抛光粉将铂丝电极磨光,再分别将其用体积比1:1乙醇水溶液、体积比1:1HNO3水溶液和蒸馏水分别在超声波中清洗。在电解池中加入1.00mmol/L甲基二氯紫精溶液,以0.5mol/L的KCl作为反应的支撑电解质溶液,分别插入工作电极、参比电极和对电极。在氮气环境下进行试验,试验前需对配备完的1.00mmol/L甲基二氯紫精溶液通氮气半小时以去除溶解氧。设定参数,电位范围为-800mV~-500mV,同时将扫描速率设定为10mV/s。利用电化学工作站通过循环伏安法测得第二圈循环与第十圈循环的叠加图,如图3所示,从图3可以看出,甲基二氯紫精稳定性与可逆性好,可以作为有机氧化还原液流电池的反应活性物质,具有良好的电化学性能。在循环伏安测试中,氧化峰和循环峰对应的中点就是甲基紫精的平衡电势。根据图3可得,甲基二氯紫精的平衡电势为-0.65V。说明甲基二氯紫精作为有机氧化还原液流电池的负极电解液,具有寿命长、能量密度大,电化学活性高,稳定性好的优点。
实施例1正极电解液循环伏安曲线见图4。用抛光粉将铂丝电极磨光,再分别将其用体积比1:1乙醇水溶液、体积比1:1HNO3水溶液和蒸馏水分别在超声波中清洗。在电解池中放入1.00mmol/L甲基二茂铁溶液,以0.5mol/L的KCl作为反应的支撑电解质溶液,分别插入工作电极、参比电极和对电极。电位范围为250mV~600mV,同时将扫描速率设定为10mV/s。利用电化学工作站通过循环伏安法测得第二圈循环与第十圈循环的叠加图,如图3所示,从图3可以看出,甲基二茂铁稳定性与可逆性好,可以作为有机氧化还原液流电池的反应活性物质,具有良好的电化学性能。在循环伏安测试中,氧化峰和循环峰对应的中点就是甲基二茂铁的平衡电势。根据图4显示,甲基二茂铁的平衡电势为0.45V。说明甲基二茂铁作为有机氧化还原液流电池的正极电解液,具有寿命长,能量密度大,电化学活性高,稳定性好的优点。
实施例具有孔道结构的组装液流电池循环稳定性见图5。电池测试:有机氧化还原液流电池测试中,需使用RST电化学工作站测试液流电池的充放电性能。将上述组装好的有机氧化还原液流电池接入到电池测试系统,设定充电截止电压1.3V,放电截止电压0.3V,以40mA/cm2的电流密度恒流充放电循环10周。对组装完全的有机氧化还原液流电池进行了10周的充放电循环,该氧化还原液流电池的容量保持率依旧十分稳定,可长期运行。但其库伦效率得到很大提升,达到78.9%。
以上对本发明做了详尽的描述,其目的在于让熟悉此技术的人士能够了解到本发明的内容并加以修改,并不能以此限制本发明的保护内容,凡根据本发明的精神实质所做的等效变化或修改,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
3.根据权利要求1所述的一种中性有机氧化还原液流电池,其特征在于,该电池由端板(1)、铜集电极(2)、石墨板(3)、密封垫片(4)、正电极(5-1),负电极(5-2)、隔膜(6)、电极框(7)和紧固件构成;所述正电极(5-1)和负电极(5-2)之间设有用于交换离子的隔膜(6),使得流经正电极(5-1)和负电极(5-2)的电解液与隔膜(6)直接接触,在隔膜(6)与石墨板(3)之间设有用于密封正电极(5-1)和负电极(5-2)的中空形状的密封垫片(4),该密封垫片(4)的外形尺寸与隔膜(6)的外形尺寸相同;;端板(1)与电极框(7)采用面密封方式;所述隔膜(6)位于中心,正电极(5-1)和负电极(5-2)分别位于隔膜(6)两侧,密封垫片(4)设置在正负电极外周圈,石墨板(3)设置在密封垫片(4)外侧,端板(1)设置在石墨板(3)外侧,铜集电极(2)贴于端板(1)内侧,以上所有部件形成左右对称关系并位于电极框(7)之间。
4.根据权利要求3所述一种中性有机氧化还原液流电池,其特征在于,所述隔膜(6)为传导氯离子功能的离子交换膜。
5.根据权利要求3所述的一种中性有机氧化还原液流电池,其特征在于,所述正电极(5-1)和负电极(5-2)为石墨毡,对石墨毡表面增加孔道,保持电池的库伦效率使得电解质溶液在电极的保留时间更长,增加库伦效率。
6.根据权利要求3所述的一种中性有机氧化还原液流电池,其特征在于,所述端板(1)为碳素导电复合材料板。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200616 |