CN113130956A - 一种全流动的铈基氧化还原液流电池 - Google Patents

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Abstract

一种全流动的铈基氧化还原液流电池，属于液流电池领域。本发明涉及的液流电池包括正极、负极、电解液、阳离子交换膜，其中正极为石墨毡电极，采用聚四氟乙烯涂层的碳布作为负极集流体，负极电解液为亲水性碳颗粒悬浮液。本发明的铈基氧化还原液流电池具有很好的库伦效率、能量效率和循环稳定性，具备良好的应用前景。

Description

一种全流动的铈基氧化还原液流电池
技术领域
本发明属于液流电池领域，具体涉及一种全流动的铈基氧化还原液流电池。
背景技术
液流电池，全称为氧化还原液流电池，是一种高效的电化学储能技术。对于大规模储能，液流电池在成本、移动性、灵活性、放电深度、响应性和安全性等方面具有诸多优势。传统液流电池体系有铁钒、铁铬、全钒等体系，在这些体系中，能量以活性物质的形式存储在储罐的电解质溶液中。与固体电极电池相比，传统液流电池的主要局限性包括系统复杂性增加、低能量密度和低容量，这显著降低了其在运输应用中的竞争力。
包括铈基液流电池在内的混合液流电池是一种特殊的液流电池。铈基液流电池充电时，正极三价铈转化为四价铈，负极金属离子转化为金属沉积到电极上；放电时，正极四价铈转化为三价铈，负极金属转化为金属离子溶解到电解液中。例如，铈铅液流电池在充电时的反应如下：
Ce3+-e-＝Ce4+
Pb2++2e-＝Pb
与传统的液流电池不同的是，铈基液流电池的活性物质不是完全溶解的。相反，在反应中金属被镀在负极上，就像固体电极电池一样被储存在电化学电池中。因此，除了储罐的尺寸外，电池堆内可用电镀空间的大小也限制了液流电池的能量存储能力。因此，传统铈基液流电池的功率和容量不再能够进行独立设计。除了上述问题外，在电池工作过程中，负极会出现枝晶生长，这将导致膜穿孔、电池短路、析氢加剧和电极钝化等问题。
发明内容
针对上述不足本发明提供一种全流动的铈基氧化还原液流电池，该液流电池的能量效率和循环稳定性高。
本发明解决技术问题采用的液流电池包括正极、负极、电解液、阳离子交换膜，其中正极为石墨毡电极，负极采用聚四氟乙烯涂层碳布作为集流体，负极电解液为亲水性碳颗粒悬浮液。
进一步的，石墨毡经高温氧化处理后，用去离子水和乙醇多次洗涤并干燥得到所需电极。
进一步的，将Printex 30、乙炔黑和羧甲基纤维素(CMC)混合，使其质量比为9：0.5～0.8：0.5～0.8。分别以乙炔黑和CMC作为导电剂和粘结剂。将上述固体材料与适量的电解质混合，制备出负极悬浮液，检测前进行超声处理。
进一步的，电解液制备包括悬浮液制备中可加入导电炭黑(SuperP)作为导电剂，采用Printex 30、SuperP和CMC混合，使其质量比为9：0.5～0.8：0.5～0.8制备出悬浮液。
进一步的，悬浮液中加入金属离子和甲磺酸溶液制备出电解液。
进一步的，以电解液：碳颗粒载体为9：1～1.2的重量比引入碳颗粒载体，用作负极悬浮液。
有益效果：
(1)本发明的液流电池体系中，电极反应主要发生在负极的亲水碳颗粒上，并通过集流体传递电荷。
(2)本发明成功防止了枝晶的形成问题。
(3)本发明利用安全的金属离子水溶液电解质，在安全性和成本方面优于其他可充电电池设计。
(4)本发明的铈基氧化还原液流电池具有很好的库伦效率、能量效率和循环稳定性，具备现实使用的条件。
附图说明
图1为本发明铈基氧化还原液流电池示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种铈基氧化还原液流电池，具体包括以下步骤：其所含电极为：负极采用聚四氟乙烯涂层碳布作为集流体。采用石墨毡电极作为正极，石墨毡经高温氧化处理后，依次由去离子水和乙醇洗涤并烘干后使用。
其所用电解液为：负极采用Printex 30、乙炔黑和羧甲基纤维素(CMC)混合，使其质量比为9：0.6：0.6制备出悬浮液。分别以乙炔黑和CMC作为导电剂和粘结剂。将上述固体材料与1.5M Zn2++1.0M MSA溶液混合，制备出悬浮液，检测前进行超声处理。采用1.0M Ce3++1.0M MSA溶液作为正极电解液。
将所制备好的电极，电解液和阳离子交换膜按照附图1的方法组装铈基液流电池，然后进行性能测试。充电时的最高电压可达到2.75V左右，在5mAcm-2时，铈锌体系总能量效率在50％左右。
实施例2
一种铈基氧化还原液流电池，具体包括以下步骤：
其所含电极为：负极采用聚四氟乙烯涂层碳布作为负极集流体。采用石墨毡电极作为正极，石墨毡经高温氧化处理后，由去离子水和乙醇洗涤多次并烘干后使用。
其所含电解液为：负极采用Printex 30、导电炭黑(SuperP)和羧甲基纤维素(CMC)混合，使其质量比为9：0.6：0.6制备出悬浮液。分别以导电炭黑和CMC作为导电添加剂和粘结剂。将上述固体材料与1.5M Pb2++1.0M MSA混合，制备出悬浮液，检测前进行超声处理。采用1.0M Ce3++1.0M MSA溶液作为正极电解液。
将所制备好的电极，电解液和阳离子交换膜按照附图1的方法组装铈基液流电池，然后进行性能测试。充电时的最高电压可达到1.80V左右。在5mAcm-2时，铈铅体系总能量效率在80％左右，在连续的100次充放电循环中，能量效率和库伦效率没有明显的降低，具有优越的循环稳定性。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，液流电池包括正极、负极、电解液、阳离子交换膜，其中负极采用聚四氟乙烯涂层碳布作为负极集流体。
2.根据权利要求1所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，正极为石墨毡电极，电解液为亲水性碳颗粒悬浮液。
3.根据权利要求1所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，石墨毡在空气条件下热处理后用去离子水和乙醇多次洗涤，经干燥后得到所需电极。
4.根据权利要求1所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，负极为Printex 30、乙炔黑和羧甲基纤维素混合，使其质量比为9：0.5～0.8：0.5～0.8；分别以乙炔黑和羧甲基纤维素作为导电添加剂和粘结剂，将固体材料与适量的电解质混合，制备出悬浮液。
5.根据权利要求4所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，Printex30、导电炭黑和羧甲基纤维素质量比为9：0.6：0.6混合。
6.根据权利要求4或5所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，悬浮液中加入金属离子和甲磺酸溶液制备出电解液。
7.根据权利要求6所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，金属离子为Zn2+、Pb2+、Cu2+中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种全流动的铈基氧化还原液流电池，其特征在于，以电解液：碳颗粒载体为9:1～1.2的重量比引入碳颗粒载体，用作负极悬浮液。
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