CN111525170B - 一种锡铁碱性液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锡铁碱性液流电池，该电池适用于大规模储能。该电池包括隔膜、多孔电极、双极板、正负极电极液及储液罐、循环泵和密封紧固装置，采用碱性电解质溶液，正极的活性物质Fe和负极的活性物质Sn存储于碱性介质中，正负极储液罐中存储的活性物质经循环泵泵入电池，流经多孔电极，在电极表面发生电化学反应，正极活性物质为Fe(CN)6 4‑/Fe(CN)6 3‑，负极活性物质为[Sn(OH)6]2‑/Sn、HSnO2 ‑/Sn或[Sn(OH)6‑]2‑/HSnO2 ‑。针对酸性锡铁液流电池电动势低和碱性锌铁液流电池安全性差，以及两者比能量不高的问题，本发明在保持较高电动势的同时，将负极体积比容量提升至原来2倍，并且避免使用易枝晶的锌电极，枝晶问题得到消除，电池的安全性得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别是一种新型锡铁碱性液流电池，该电池适用于大规模储能领域。
背景技术
液流电池是一种电化学储能装置，最早由Thaller于1974年提出，由于将能量存储于电解液中，功率和容量相互独立，具有设计灵活、安全性高、生命周期长、性价比高、环境友好等优点，在大规模储能领域具有突出优势。
1982年D-G.Oei提出用SnCl2作液流电池负极活性物质，V2O5作为液流电池的正极活性物质，但是由于V2O5在酸性溶液中的溶解度较小，电池比能量受到严重限制。同时，该电池的标准电极电势较低，正极电极反应VO2 +/VO2+标准电极电势是1.0V，负极电极反应Sn4+/Sn2+标准电极电势是0.15V，组成电池标准电动势是0.85V。
2009年，刘建国提出了钒/锡液流电池，该液流电池采用酸性电解质，正极活性物质发生的电极反应VO2 +/VO2+，负极活性物质发生的电极反应为Sn2+/Sn，因为Sn2+/Sn标准电极电势是-0.13V，组成电池的电动势为1.13V，提高了电池电动势。同时，正极活性物质采用溶解度较大的四价钒V(Ⅳ)化合物，克服电池比能量低的缺点，但由于正极仍然采用钒元素，电池的成本较高。
2018年，Zhizhang Yuan提出了一种碱性锌铁液流电池，采用碱性电解质溶液和更为廉价的活性物质，正极活性物质发生的电极反应Fe(CN)6 4-/Fe(CN)6 3-，负极活性物质发生的电极反应为Zn(OH)4 2-/Zn，因为Fe(CN)6 4-/Fe(CN)6 3-标准电极电势是0.36V，Zn(OH)4 2-/Zn标准电极电势是-1.21V，组成电池的标准电动势为1.57V，该电池在降低电池成本的同时，提升了电池的电动势，但由于锌电极的枝晶问题，该电池存在较大的安全隐患。
2020年，Xuelong Zhou提出了一种酸性锡铁液流电池，正极活性物质发生的电极反应Fe3+/Fe2+，负极活性物质发生的电极反应为Sn2+/Sn，因为Fe3+/Fe2+标准电极电势是0.77V，组成电池的电动势为0.9V，该电池仍然采用加廉价的活性物质，降低了电池成本，提升了电池的安全性，但牺牲了电池电动势。
现有技术实现方案包括：(1)一种酸性锡铁液流电池，正极活性物质发生的电极反应Fe3+/Fe2+，负极活性物质发生的电极反应为Sn2+/Sn。存在的问题和缺点：电池的标准电动势低；电池比能量不高(负极摩尔电子数为2，正极摩尔电子数为1，且电动势低)(2)一种碱性锌铁液流电池，采用碱性电解质溶液，正极活性物质发生的电极反应Fe(CN)6 4-/Fe(CN)6 3-，负极活性物质发生的电极反应为Zn(OH)4 2-/Zn。存在的问题和缺点：电池比能量不高(负极摩尔电子数为2，正极摩尔电子数为1)；由于锌电极的枝晶问题，该电池存在较大的安全风险。
发明内容
发明目的：针对酸性锡铁液流电池电动势低和碱性锌铁液流电池安全性差，以及两者比能量不高的问题，本发明提出一种新型碱性锡铁液流电池。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种锡铁碱性液流电池，包括隔膜、正负极多孔电极、双极板、正负极电解液及储液罐、正负极循环泵和必要的密封紧固装置。该电池采用碱性电解质溶液，正极的活性物质Fe和负极的活性物质Sn存储于碱性介质中；正极多孔电极与负极多孔电极由所述隔膜隔开，所述双极板置于正负极多孔电极外侧；正极储液罐中存储的活性物质经正极循环泵泵入电池，流经正极多孔电极，在电极表面发生电化学反应；负极储液罐中存储的活性物质经负极循环泵泵入电池，流经负极多孔电极，在电极表面发生电化学反应；通过密封紧固装置封装电池。
进一步的，负极锡元素的价态为0价、2价、4价中的一种或一种以上，存在形式为Sn、
[Sn(OH)6]2-中的一种或一种以上；负极的电化学反应为：
和/或
进一步的，正极铁元素的价态为2价、3价中的一种或两种，存在形式为
中的一种或两种；正极的电化学反应为：
进一步的，所述碱性物质为NaOH、KOH、NH4OH、Ba(OH)2、Ca(OH)2中的一种或一种以上，浓度为0.1mol/L～20mol/L。
进一步的，所述隔膜为多孔离子传导膜或离子交换膜；所述双极板为石墨板、导电塑料板、导电橡胶板或金属板；所述多孔电极为石墨毡、碳毡或泡沫金属。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
该电池采用碱性电解质溶液，正极活性物质发生的电极反应为
负极活性物质发生的电极反应为[Sn(OH)6]2-/Sn(分为两步进行：[Sn(OH)6]2-/HSnO2 -、HSnO2 -/Sn，也可通过条件控制，只发生其中的一步)。该电池在保持低成本的同时，将负极的电化学反应转移的摩尔电子数提升至4，使负极体积比容量提升至原来2倍；由于[Sn(OH)6]2-/HSnO2 -和HSnO2 -/Sn的标准电极电势分别为-0.93V和-0.91V，电池的电动势较高，达到1.27～1.29V；并且避免使用易枝晶的锌电极，枝晶问题得到消除，电池的安全性得到提升。
附图说明
图1是本发明的锡铁碱性液流电池示意图；
图中，1.隔膜，2.正极多孔电极，3.负极多孔电极，4.双极板，5.正极电解液及储液罐，6.负极电解液及储液罐，7.循环泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种锡铁碱性液流电池，如图1所示，包括隔膜1、正极多孔电极2、负极多孔电极3、双极板4、正极电解液及储液罐5、负极电解液及储液罐6、循环泵7和必要的密封紧固装置。该电池采用碱性电解质溶液，正极的活性物质Fe和负极的活性物质Sn存储于碱性介质中；正极多孔电极2与负极多孔电极3由所述隔膜1隔开，所述双极板4置于正负极多孔电极外侧；正极储液罐中存储的活性物质经正极循环泵7泵入电池，流经正极多孔电极2，在电极表面发生电化学反应；负极储液罐中存储的活性物质经负极循环泵7泵入电池，流经负极多孔电极3，在电极表面发生电化学反应；通过密封紧固装置封装电池。
所述负极锡元素的价态为0价、2价、4价中的一种或一种以上，存在形式为Sn、
[Sn(OH)6]2-中的一种或一种以上；负极的电化学反应为：
和/或
所述正极铁元素的价态为2价、3价中的一种或两种，存在形式为
中的一种或两种；正极的电化学反应为：
所述碱性物质采用NaOH、KOH、NH4OH、Ba(OH)2、Ca(OH)2中的一种或一种以上，浓度为0.1mol/L～20mol/L。
本实施例中，所述隔膜1采用全氟磺酸离子交换膜；所述正极多孔电极2采用泡沫镍，所述负极多孔电极3采用石墨毡；所述双极板4采用导电塑料板。
本实施例中，所述正极电解液及储液罐5中包括0.2M K3Fe(CN)6、0.2M K4Fe(CN)6和5M KOH、所述负极电解液及储液罐6中包括0.1M SnCl2+5M KOH。
使用本实施例所述材料和器件组装电池，负极实现4电子转移，50mA/cm2电流密度下放电平均电压1.26V，经过150个循环后未出现枝晶问题。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述电池包括隔膜、正负极多孔电极、双极板、正负极电解液及储液罐、正负极循环泵和密封紧固装置；该电池采用碱性电解质溶液，正极的活性物质Fe和负极的活性物质Sn存储于碱性介质中；正极多孔电极与负极多孔电极由所述隔膜隔开，所述双极板置于正负极多孔电极外侧；正极储液罐中存储的活性物质经正极循环泵泵入电池，流经正极多孔电极，在电极表面发生电化学反应；负极储液罐中存储的活性物质经负极循环泵泵入电池，流经负极多孔电极，在电极表面发生电化学反应；通过密封紧固装置封装电池；
所述负极锡元素的价态为0价、2价、4价中的一种或一种以上，存在形式为Sn、HSnO2 -、[Sn(OH)6]2-中的一种或一种以上；
所述正极铁元素的价态为2价、3价中的一种或两种，存在形式为Fe(CN)6 4-、Fe(CN)6 3-中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述碱性物质为NaOH、KOH、NH4OH、Ba(OH)2、Ca(OH)2中的一种或一种以上。
3.根据权利要求2所述的一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述碱性物质的浓度为0.1mol/L～20mol/L。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述隔膜为多孔离子传导膜或离子交换膜。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述双极板为石墨板、导电塑料板、导电橡胶板或金属板。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种锡铁碱性液流电池，其特征在于：所述多孔电极为石墨毡、碳毡或泡沫金属。
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