CN112952173B - 一种食品级电解液的中性锌铁液流电池 - Google Patents

一种食品级电解液的中性锌铁液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于电化学储能领域的中性锌铁液流储能电池。正极电解液为可溶性补铁剂的氯化钠水溶液，负极电解液为可溶性补锌剂的氯化钠水溶液，氯化钠作为支持电解质，电解液中的物质均可采用食品级别。补锌剂和补铁剂一般都存在络合负离子，因此，溶解在水中后以锌离子络合物和铁离子络合物形式存在，络合离子与亚铁离子和铁离子会产生稳定的螯合物，抑制了二价和三价铁离子的水解，极大地提高了二价和三价铁离子在中性水溶液的稳定性。相比于传统的中性锌铁液流电池，该液流电池不仅电解液对人体无害，电解液可以达到食品级，而且在电池性能上具有较大优势，表现出了很好的应用前景。

Description

一种食品级电解液的中性锌铁液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别涉及一种食品级电解液的中性锌铁液流电池。
背景技术
液流电池是一种电化学储能新技术，与其它储能技术相比，具有系统设计灵活、蓄电容量大、选址自由、能量转换效率高、可深度放电、安全环保、维护费用低等优点，可以广泛应用于风能、太阳能等可再生能源发电储能、应急电源系统、备用电站和电力系统削峰填谷等方面。目前所研究的大部分的液流电池体系以强酸性和强碱性体系居多，例如技术较为成熟的全钒液流电池的支持电解质为3MH2SO4，强酸性的电解液不仅对设备有较高的要求，也对环境具有较大的损害。步入商业化阶段的锌溴液流电池在充电过程中会产生溴单质，溴溴单质具有很强的毒性，而且其烟雾能强烈地刺激眼睛和呼吸道，会对生物体造成极大的损害。目前碱性锌铁液流电池，碱性锌镍液流电池，碱性全铁液流电池等体系的电解液具有强碱性和腐蚀性，对环境和生物体有一定的毒性。而且在目前所研究的有机液流电池体系中，常用的活性物质紫精类物质，具有高毒性，对环境有较大的损害。
相比于强酸、强碱和有机体系的液流电池，中性体系的液流电池具有环境友好，成本低廉等优势。因此开发一种对环境友好，对人体无害的液流电池体系至关重要。
发明内容
为解决上述技术问题，开发一种对环境无害、低成本、结构简单、电化学性能优异的中性液流储能电池尤为重要。为达到上述目的，本发明提出一种食品级电解液的中性锌铁液流电池，具体技术方案如下：
所述食品级电解液的中性锌铁液流电池包括一节单电池或二节以上单电池电路串和/或并联而成的电池模块、装有正极电解液的储液罐、负极电解液的储液罐、循环泵和循环管路。所述单电池包括依次层叠的正极集流板、正极、隔膜、负极、负极集流体，所述隔膜为非氟阳离子交换膜或PBI多孔离子传导膜，所述非氟阳离子交换膜为磺化聚醚酮类、磺化聚醚砜类离子交换膜；所述的PBI多孔离子传导膜通过浸没相转化所制备；所述的正和/或负极电极为碳毡、碳纸或碳布中的一种或两种以上的多孔碳材料；正和/或负极集流体为石墨板或铜板。
正极电解液采用可溶性的补铁剂与氯化钠的混合水溶液，负极电解液采用可溶性的补锌剂与氯化钠的混合水溶液。
所述的食品级电解液的中性锌铁液液流电池电解液按如下过程配制而成：
正极电解液：将可溶性的补铁剂中的一种或者两种以上溶解于去离子水中，加热至50℃并不断搅拌制成均匀溶液，促进可溶性的补铁剂溶解；
负极电解液：将可溶性的补铁锌中的一种或者两种以上溶解于去离子水中，加热至50℃并不断搅拌制成均匀溶液，促进可溶性的补锌剂溶解；
其中所述的可溶性的补铁剂包括：硫酸亚铁，葡萄糖酸亚铁，枸橼酸铁铵的一种或两种以上，优选葡萄糖酸亚铁；可溶性的补锌剂包括葡萄糖酸锌，吡啶羧酸锌中的一种或两种，优选葡萄糖酸锌；氯化钠可以作为生理盐水的组成部分，在电解液中充当支持电解质的作用。
其中，电解液中葡萄糖酸亚铁的浓度为0.1～1.2mol/L，优选0.5～1.0mol/L；葡糖糖酸锌的浓度为0.1～1.5mol/L，优选0.5～0.8mol/L；氯化钠的摩尔浓度为0.1～5.0mol/L，优选0.5～2.0mol/L。为了保证电解液中成分对环境友好，并且对人体无害，电解液中不再加入其他的支持电解质。
对电池运行原理以负极电解液活性物质为葡萄糖酸锌，正极电解液活性物质为葡萄糖酸亚铁为例。补锌剂和补铁剂一般都存在络合离子，因此，溶解在水中后以锌离子络合物和铁离子络合物形式存在。在电池运行过程中，负极侧的葡萄糖酸锌溶解在去离子水中生成葡萄糖酸锌络合物，在电极上发生沉积溶解的电化学反应，反应方程式如下：
Figure BDA0002311190820000021
同样，葡萄糖酸亚铁在溶液中以络合物的形式存在。对应的，正极侧的亚铁离子电极上发生铁的变价反应，反应方程式如下：
Figure BDA0002311190820000022
充电过程中，负极侧，葡萄糖酸锌络合物在碳毡或碳纸电极上得到两个电子被还原成锌单质,沉积在电极上；对应的在正极侧，Fe2+(Glu)2在碳毡或碳纸电极上失去电子被氧化为Fe3+(Glu)2。
正、负极电解液储液罐经液体输送泵通过管路与单电池或电堆的正、负极入口和出口相连。
单电池或电堆充电时，电解液经由泵从正负极储液罐分别输送至正、负极，正极储液罐中的活性物质Fe2+(Glu)2发生电化学氧化反应生成Fe3+(Glu)2，Zn2+离子在碳毡或碳纸负极上直接以锌单质形式沉积；放电时，负极锌单质在中性环境下溶解为Zn2+离子经由泵回到负极储液罐中，与之对应的正极电解液中活性物质Fe3+(Glu)2发生电化学还原反应生成Fe2+(Glu)2，经由泵回到正极储液罐中。该液流电池的工作电流密度在1mA cm-2～100mA cm-2之间，电池运行过程对环境友好，没有产生任何对环境有害的物质。
本发明的有益成果：
1.补锌剂和补铁剂以锌离子络合物和铁离子络合物形式存在，络合离子与亚铁离子和铁离子会产生稳定的螯合物，解决了铁离子在电池循环过程中水解形成Fe(OH)3的问题，因此电池的循环稳定性大大提高，锌离子以络合锌的形式存在，沉积更加均匀致密，锌枝晶明显减少。
2.食品级电解液的中性锌铁液流电池具有高能量密度和高功率密度：正负极电解液中的活性物质具有较高的溶解度，放电容量可达18AhL-1，放电功率密度可达21.6WhL-1。因此本发明的锌铁液流电池表现出高能量密度和功率密度，而且电池电解液成本低，在大规模储能领域具有很好的应用前景。
3.从环境友好的角度出发，开发了一种食品级电解液的中性锌铁液流电池，解决了传统的酸性，碱性和有机物液流电池体系中电解液对环境有害或者在运行过程中会产生对环境有害物质的问题，这种食品级电解液的中性锌铁液流电池具有安全性高、稳定性好、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
附图说明
图1本发明的中性锌铁液流电池结构示意图；
图2葡萄糖酸锌的循环伏安测试(a)，电解液组成为0.1M葡萄糖酸锌和2MNaCl的混合水溶液；葡萄糖酸亚铁(b)的循环伏安测试，电解液组成为0.2M葡萄糖酸亚铁和2M NaCl的混合水溶液；
图3对比例1传统的中性锌铁液流电池循环性能图；
图4对比例2中的中性锌铁液流电池循环性能图；
图5实施例1的中性锌铁液流电池循环性能图；
图6实施例2的中性锌铁液流电池在不同电流密度下的电池性能；
图7实施例3中的中性锌铁液流电池在不同温度下的电池性能；
图8实施例4的中性锌铁液流电池在80mAcm-2下的电池循环性能；
电池测试条件：电极有效面积：48cm2；电池采用恒电流充放电模式，充电截止条件为容量截止，放电截止条件为电压截止；正负极电解液体积各60mL，正负极电极均为多孔碳毡电极，石墨板作为集流板；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜。
具体实施方式
单电池组装：单电池按如下顺序组装：正极端板、石墨集流体、正极碳毡、聚苯并咪唑多孔离子传导膜、负极碳毡、石墨集流体、负极端板。正负极碳毡的面积均为6x8 cm2，电池结构如图1。
对比例1
以传统的中性锌铁液流电池为对比，正极电解液组成为1mol L-1FeCl2+2mol L-1甘氨酸+2mol L-1KCl；负极电解液组成为0.5mol L-1ZnBr2+2molL-1KCl；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜；在40mA cm-2的电流密度条件下充电，充电截止条件为1.75V电压截止，然后在40mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。充放电效率如下：CE＝97.75％，VE＝88.65％，EE＝86.66％；该电池在运行30个循环后，电池容量衰减严重，在运行100个循环后，电池效率衰减严重。这是由于正极电解液中铁离子形成络合物不稳定，电解液中铁离子的水解仍旧十分严重，生成的Fe(OH)3应对导致严重的膜污染导致电池的容量衰减较快，同时电池运行超过100圈之后电池的效率衰减严重，图3a和图3b。而且这种传统的中性锌铁液流电池负极采用溴化锌作为活性物质，充电过程中如果电压控制不当可能产生溴单质，因为溴单质具有腐蚀性，所以对环境和人体会产生及其大的危害。
对比例2
正极电解液组成为0.8MFeCl2+1.6mol L-1葡萄糖酸钠+2mol L-1NaCl，负极电解液组成为0.4MZnCl2+0.8mol L-1葡萄糖酸钠+2mol L-1NaCl，隔膜为SPEEK阳离子交换膜。在40mA cm-2的电流密度条件下充电，充电截止条件为1.75V电压截止，然后在40mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。充放电效率如下：CE＝98％，VE＝86％，EE＝84％；在充放电过程中，电池只能稳定循环50圈，在50圈后电池性能发生严重衰减。如图4所示。电池性能较差，主要是因为是加入的氯化亚铁与葡萄糖酸钠，而不是葡萄糖酸亚铁，因此电解液中铁离子与葡萄糖酸根离子的络合强度较弱，因此铁离子和亚铁离子的水解严重，导致电池的库伦效率较低。同时，水解的铁离子会使得溶液中的pH上升，使负极沉积的锌溶解发生化学反应而非电化学反应，这也导致了电池的库伦效率较低。
实施例1
正极电解液组成为1mol L-1葡萄糖酸亚铁+2mol L-1NaCl；负极电解液组成为0.5mol L-1葡萄糖酸锌+2mol L-1NaCl；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜；在40mA cm-2的电流密度条件下充电35min，以容量截止为截止条件，然后在40mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。由图中的效率曲线可以看出，电池的CE，VE和EE分别为99.3％，86.5％，85.6％。从图5a可以看出，正极采用葡萄糖酸亚铁作为活性物质的中性锌铁液流电池在150个循环以内，电池性能没有明显变化。相应的电池连续稳定的运行150个循环，电池容量(图5b)保持良好，表现出优异的循环稳定性。因此该方案有效地解决了传统的中性锌铁液流电池因正极电解质溶液中铁离子水解导致电池效率和容量衰减的问题，同时电解液对人体和环境友好，大大降低了使用过程中维护成本，在实际应用中具有广泛的应用前景。
在第150个循环充电结束时，将电池拆卸，隔膜上并没有明显的膜污染。这表明，电池运行过程中，电解液中葡萄糖酸根对抑制铁离子的水解起到了明显的抑制作用，这使得该电池具有较长的循环寿命；而与传统的中心锌铁液流电池相比，电池循环过程中铁离子水解产生沉淀导致隔膜被污染，这导致电池的内阻增大，充电末期电压飙升，电池充电容量衰减。
实施例2(不同电流密度下性能)
正极电解液组成为1mol L-1葡萄糖酸亚铁+2mol L-1NaCl；负极电解液组成为0.5mol L-1葡萄糖酸锌+2mol L-1NaCl，正负极电解液体积各60mL；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜；然后在40mA cm-2，60mA cm-2，80mA cm-2，100mA cm-2电流密度条件分别充电35min，23.3min，17.5min，14min，然后在对应的电流密度下放电至0.1V。由图6中可以看出，改中性锌铁液流电池在不同的电流密度下均具有较好的性能，这证明该电池能够在不同的电流密度下稳定地运行。
实施例3(不同温度下性能)
正极电解液组成为1mol L-1葡萄糖酸亚铁+2mol L-1NaCl；负极电解液组成为0.5mol L-1葡萄糖酸锌+2mol L-1NaCl，正负极电解液体积各60mL；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜；在40mA cm-2的电流密度条件下充电35min，以容量截止为截止条件，然后在40mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。分别在25℃，35℃，45℃，55℃条件下运行，该电池的性能如图所示。由图7可知，该电池在不同的温度下均有较好的性能，这表明该电池在不同的温度下都能够稳定地运行。
实施例4(高电流密度下的循环稳定性)
正极电解液组成为1mol L-1葡萄糖酸亚铁+2mol L-1NaCl；负极电解液组成为0.5mol L-1葡萄糖酸锌+2mol L-1NaCl，正负极电解液体积各60mL；隔膜为聚苯并咪唑多孔离子传导膜；在80mA cm-2的电流密度条件下充电17.5min，以容量截止为截止条件，然后在80mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。电池性能如图所示。由图8中可知，该电池在高电流密度下(80mA cm-2)具有较好的循环稳定性。

Claims (6)

1.一种电解液为食品级的中性锌铁液流电池，包括负极电解液和正极电解液，其特征在于：负极电解液是以食品级可溶性食用补锌剂为活性物质的氯化钠水溶液，正极电解液是以食品级可溶性食用补铁剂为活性物质的氯化钠水溶液；
正极电解液中食品级可溶性的补铁剂为葡萄糖酸亚铁，枸橼酸铁铵的一种或两种，
负极电解液中食品级可溶性的补锌剂为葡萄糖酸锌，吡啶羧酸锌的一种或两种；
正极电解液中补铁剂的摩尔浓度为0.1~1.2mol/L；负极电解液中补锌剂的摩尔浓度为0.1~1.5mol/L； 正负极电解液中氯化钠的摩尔浓度为0.1~5mol/L。
2.根据权利要求1所述的电解液为食品级的中性锌铁液流电池，其特征在于：氯化钠作为电解液中的支持电解质，电池运行过程中Na+和Cl-构成电池内部回路。
3.根据权利要求1所述的电解液为食品级的中性锌铁液流电池，其特征在于：正极电解液中食品级可溶性的补铁剂为葡萄糖酸亚铁；负极电解液中食品级可溶性的补锌剂为葡萄糖酸锌。
4.根据权利要求1所述的电解液为食品级的中性锌铁液流电池，其特征在于：正极电解液中补铁剂的摩尔浓度为0.5~1mol/L；负极电解液中补锌剂的摩尔浓度为0.5~0.8mol/L；正负极电解液中氯化钠的摩尔浓度为0.5~2mol/L。
5.根据权利要求1~4任一所述电解液为食品级的中性锌铁液流电池，其特征在于：正、负极电解液按如下过程制备而成：
正极电解液：将可溶性的补铁剂中的一种或者两种以上溶解于去离子水中，加热至50-60℃并不断搅拌制成均匀溶液，促进可溶性的补铁剂溶解；
负极电解液：将可溶性的补铁锌中的一种或者两种以上溶解于去离子水中，加热至50-60℃并不断搅拌制成均匀溶液，促进可溶性的补锌剂溶解。
6.根据权利要求1所述的电解液为食品级的中性锌铁液流电池，其特征在于：所述的液流电池包括一节单电池或二节以上单电池电路串和/或并联而成的电池模块、装有正极电解液的储液罐、负极电解液的储液罐、循环泵和循环管路，所述单电池包括依次层叠的正极集流板、正极电极、离子传导膜、负极电极、负极集流体，所述离子传导膜为非氟阳离子交换膜或PBI多孔离子传导膜，所述非氟阳离子交换膜为磺化聚醚酮类、磺化聚醚砜类离子交换膜中的一种或者两种；所述的PBI多孔离子传导膜通过浸没相转化所制备；所述的正和／或负极电极为碳毡、碳纸或碳布中的一种或两种以上的多孔碳材料；正和／或负极集流体为石墨板或铜板。
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