CN113437339A - 一种用于锌碘液流电池的正极电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液流电池领域，尤其涉及一种用于锌碘液流电池的正极电解液。正极电解液包括碘离子反应活性物质、添加剂和溶剂水，添加剂为吡咯酮类物质，添加剂生物安全性好，是一种无毒聚合物，且易溶于水，并与碘在水溶液中发生电荷转移作用，形成可溶的电荷转移络合物。本发明通过在传统锌碘液流电池的正极电解液中加入添加剂，利用电荷转移作用来加速碘膜的溶解形成可溶离子，解锁额外容量，解决了碘离子可用容量低的问题，使得锌碘液流电池可用容量提高三分之一。
Description
技术领域
本发明属于液流电池领域，尤其涉及一种用于锌碘液流电池的正极电解液。
背景技术
氧化还原液流电池系统储能系统(Redox flow battery)简称液流电池，其正负极活性物质均采用液态流体氧化还原对，液态正负极活性物质储存在储液罐中，运行时通过送液泵在正负极电极中发生价态变化，正负极电极多采用多孔材料如碳毡等，电池内部正负极采用离子交换膜隔开，具有功率能量单独设计，存储维护方便简易，安全性强等优势。
目前，研究较多、应用范围广且发展成熟的液流电池包括全钒体系、硫碘体系、锌溴体系等。其中，虽然全钒体系发展最成熟，但其溶解度低导致的低能量密度限制了其进一步的商业化。而锌溴等体系，充电过程中的正极产物带来的容量衰减和环境污染等问题。锌碘电池正极为Zn/Zn2+之间的反应，负极为I-/I3 -之间的反应，由于碘离子溶解度高且充电产物也为可溶离子，所以可以避免能量密度低和污染等问题，而且活性物质价格低廉。但是，在充电过程中，需要消耗三分之一的碘离子来稳定碘，导致其可用容量损失，限制了其能量密度的最大使用。
因此，开发和研究能够代替碘离子与碘络合的添加剂具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锌碘液流电池的正极电解液，解决消耗碘离子来稳定碘引起的可用容量和能量密度减少的问题。
本发明的技术方案是：
一种用于锌碘液流电池的正极电解液，包括碘离子反应活性物质、添加剂和溶剂水，添加剂为吡咯酮类物质，添加剂易溶于水，并与碘在水溶液中发生电荷转移作用，形成可溶的电荷转移络合物。
所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，碘离子反应活性物质为碘化物。
所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，碘化物为碘化钾、碘化钠或者碘化锌。
所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，吡咯酮类物质为聚乙烯吡咯烷酮或乙烯吡咯烷酮。
所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，碘离子反应活性物质在水中溶解度为0.1～7.5mol/L。
所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，添加剂在水中溶解度为1～50g/L。
本发明的设计思想是：
本发明通过在传统锌碘液流电池的正极电解液中加入添加剂，添加剂生物安全性好，是一种无毒聚合物，且易溶于水，利用电荷转移作用，代替碘离子来稳定碘，形成可溶的电荷转移络合物，解锁额外容量，解决了碘离子可用容量低的问题，使得电池能量密度提高三分之一。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点和有益效果：
1、本发明解锁了三分之一碘离子，添加剂可以有效的代替碘离子与碘络合来稳定碘，形成可溶的电荷转移络合物，使其可用容量和能量密度提高。
2、本发明成本低廉，对环境友好，添加剂(如：聚乙烯吡咯烷酮或乙烯吡咯烷酮)普遍价格较低，对锌碘液流电池附加成本较低。且添加剂无毒无害，是绿色产品。
附图说明
图1本发明所提供锌碘液流电池示意图。其中，1正极电解液储液罐，2负极电解液储液罐，3正极电极，4负极电极，5液流电池隔膜，6正极端板，7负极端板，8正极泵，9负极泵。
图2(a)为三电极体系下的无添加剂的碘化钾电解液电化学氧化过程现象；图2(b)为三电极体系下加入添加剂聚乙烯吡咯烷酮的碘化钾电解液电化学氧化过程现象。图中，Polyiodide complex代表聚碘络合物。
图3为加入或者不加添加剂聚乙烯吡咯烷酮的容量电压比较图。图中，横坐标Volumetric Capacity代表电池的体积容量(Ah/L)，纵坐标Voltage代表电压(V)。PVP代表聚乙烯吡咯烷酮，Current density代表电流密度(mA/cm2)，Theoretical capacity of2/3e-transferred代表碘离子利用率为三分之二时的理论容量。
具体实施方式
如图1所示，本发明锌碘液流电池主要包括：正极电解液储液罐1、负极电解液储液罐2、正极电极3、负极电极4、液流电池隔膜5、正极端板6、负极端板7、正极泵8、负极泵9，其结构如下：
正极电解液储液罐1的底部通过管路(该管路上设置正极泵8)与正极电极3的底部相连接，正极电解液储液罐1的顶部通过管路与正极电极3的顶部相连接，正极电极3的外侧设置正极端板6，形成液流电池的正极部分。负极电解液储液罐2的底部通过管路(该管路上设置负极泵9)与负极电极4的底部相连接，负极电解液储液罐2的顶部通过管路与负极电极4的顶部相连接，负极电极4的外侧设置负极端板7，形成液流电池的负极部分。正极电极3、负极电极4沿竖向相对平行设置，正极电极3、负极电极4之间通过液流电池隔膜5隔开，液流电池隔膜5两侧分别与正极电极3、负极电极4中的电解液相接触。
正极电解液储液罐1中装有本发明用于锌碘液流电池的正极电解液，包括碘离子反应活性物质、添加剂，添加剂能够溶于水，并与碘在水溶液中发生电荷转移作用。负极电解液储液罐2中装有负极电解液，与正极电解液不同之处在于，负极电解液仅包括锌离子反应活性物质和支持电解质，不包含添加剂。
如图1所示，锌碘液流电池的正极电极3、负极电极4均采用碳毡作为电极，碳毡电极具有非常大的活性面积，可以有效地满足碘离子的氧化还原反应的发生，锌碘液流电池中所用的碳毡电极面积为4×7cm2，而电池隔膜选用液流电池常用的商业化的Nafion质子交换膜，质子交换膜面积同样为4×7cm2，并用铝合金端板(正极端板6、负极端板7)将各组件夹紧，充电时正负极反应方程式如下(1)～(5)所示；
正极：
2I--2e-→I2 (1)
I2+NVP→NVP·I2 (2)
NVP·I2→NVP·2I- (3)
NVP·2I-+I2→NVP·2I3 (4)
负极：
Zn→Zn2++2e- (5)
式(1)～(5)中，NVP代表N-乙烯基吡咯烷酮。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下为具体实施例详细介绍本发明，提供实施例是为了便于理解本发明，绝不是限制本发明。
实施例
本实施例中，锌碘液流电池的正极电解液包括：KI，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为络合物，以及去离子水。其中，KI浓度为1mol/L，因为这个浓度的KI和聚乙烯吡咯烷酮发生电荷转移作用后其电解液电阻减小，不会影响电池的极化，以负极50mL电解液为例，具体操作步骤为：
于烧杯中称取8.3g碘化钾，加入去离子水溶解，再加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮在磁力搅拌器上搅拌10min充分混合均匀，再倒入50mL容量瓶中储存备用，电导率测试仪测试其溶液pH值应在7左右。
为了保持正负极电解液之间容量相同，负极电解液ZnCl2浓度为0.5mol/L，正极电解液具体配置步骤为：
于烧杯中称取3.4g氯化锌，加入去离子水溶解，再加入11.182g氯化钾在磁力搅拌器中搅拌10min，倒入50mL容量瓶中，电导率测试仪测试其pH值应在5.0左右。
如图2(a)所示，三电极体系下的传统锌碘液流电池的正极电解液，可以发现在电化学氧化过程中，生成的碘仍需要体系中的碘离子来稳定，形成黄色的I3 -离子，导致有三分之一的碘离子被消耗，无法参与充电反应，所以会严重损耗电池容量。而如图2(b)所示，加入聚乙烯吡咯烷酮后的锌碘液流电池的正极电解液，可以很明显看出在电化学氧化过程中，生成了可溶的聚碘络合物，这是因为聚乙烯吡咯烷酮与碘离子发生了电荷转移作用，能够有效地代替碘离子来稳定碘，解锁这三分之一碘离子，所以碘离子可用容量增加。
如图3所示，对比于加入添加剂的锌碘液流电池的容量电压图，可以发现传统锌碘液流电池的容量有三分之一被损耗掉，由于在充电过程中，I-离子会先充电到碘，随后有三分之一的碘负离子需要作为络合剂能稳定碘，使其变成可溶的I3 -离子，所以这部分碘离子无法参与充电，造成容量损耗。而如图加入添加剂聚乙烯吡咯烷酮后的容量电压曲线，可以发现其可用容量提高三分之一，是因为在充电过程中，添加剂代替了碘离子来稳定碘，从而释放这部分容量，使其能量密度提高。
实施例结果表明，本发明用于锌碘液流电池的正极电解液，含有碘离子反应活性物质、添加剂，碘离子反应活性物质参与正极氧化还原反应，添加剂能溶于水，代替碘离子来稳定碘，与碘发生电荷转移作用，形成可溶的电荷转移络合物，解锁这部分碘离子，获得额外容量。使用本发明所提供的正极电解液，可比传统锌碘液流电池可用容量提高三分之一。
Claims (6)
1.一种用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，包括碘离子反应活性物质、添加剂和溶剂水，添加剂为吡咯酮类物质，添加剂易溶于水，并与碘在水溶液中发生电荷转移作用，形成可溶的电荷转移络合物。
2.如权利要求1所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，碘离子反应活性物质为碘化物。
3.如权利要求2所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，碘化物为碘化钾、碘化钠或者碘化锌。
4.如权利要求1所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，吡咯酮类物质为聚乙烯吡咯烷酮或乙烯吡咯烷酮。
5.如权利要求1所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，碘离子反应活性物质在水中溶解度为0.1～7.5mol/L。
6.如权利要求1所述的用于锌碘液流电池的正极电解液，其特征在于，添加剂在水中溶解度为1～50g/L。
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| CN113903965A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-07 | 华东师范大学 | 一种新型锌碘水溶液电池及其制备方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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