CN113451629B - 一种低成本铁钛液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种低成本铁钛液流电池。所述电池由电池模块、正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、循环泵Ⅰ、循环泵Ⅱ、循环管路组成，所述电池模块由一节或二节以上单电池串联而成，所述单电池包含电极端板、双极板、电极、离子传导膜、电极框，所述正极电解液储液罐经正极循环管路与电池模块的正极相连通，负极电解液储液罐经负极的循环管路与电池模块的负极相连通；所述电池的负极氧化还原电对为Ti3+/Ti4+，正极氧化还原电对为Fe2+/Fe3+，支持电解质为无机酸或有机酸。所述铁钛液流电池具有循环寿命长、环境友好、结构以及制造工艺简单的特点。

Description

一种低成本铁钛液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种低成本铁钛液流电池。
背景技术
随着经济的发展，对能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗所引起的环境问题日益突显。大规模利用可再生能源、实现能源多样化成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。但是风能、太阳能等可再生能源的不连续性和不稳定性，使得他们的直接利用困难，所以利用储能技术，实现可再生能源的连续供应成为解决上述问题的关键。液流电池由于设计灵活(容量、功率分开设计)，安全性好，寿命长，已经成为大规模储能市场最优前景的技术之一。
目前发展比较成熟的液流电池体系包括全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠溴等体系。但是全钒液流电池面临成本较高，电解质的酸性和腐蚀性较强的问题；另外，锌溴液流电池体系和多硫化钠溴体系面临着溴的挥发性和腐蚀性的问题，环境污染严重。因此开发低成本、环境友好、高可靠性的新型液流电池就变得尤为重要。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种低成本铁钛液流电池，具有循环寿命长、环境友好、结构以及制造工艺简单的特点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种铁钛液流电池，所述电池由电池模块、正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、循环泵Ⅰ、循环泵Ⅱ、循环管路组成，所述电池模块由一节或二节以上单电池串联而成，所述单电池包含电极端板、双极板、电极、离子传导膜、电极框，所述正极电解液储液罐经正极循环管路与电池模块的正极相通，负极电解液储液罐经负极循环管路与电池模块的负极相通，所述电池的负极氧化还原电对为Ti3+/Ti4+，正极氧化还原电对为Fe2+/Fe3+，支持电解质为无机酸或有机酸，包括硫酸、磷酸、氯酸、盐酸、甲烷磺酸中的一种或多种混合物。
进一步地，充电时，正极电解液和负极电解液分别经由循环泵Ⅰ和循环泵Ⅱ从正极电解液储液罐和负极电解液储液罐分别输送至正极和负极，Ti4+离子在负极还原为Ti3+离子，Fe2+离子在正极氧化为Fe3+；放电时，Ti3+离子在负极氧化为Ti4+离子，经由循环泵Ⅱ回到负极电解液储液罐中；Fe3+离子在正极还原为Fe2+离子，经由循环泵Ⅰ回到正极电解液储液罐中。
进一步地，所述正负极电解液均为含有铁离子和钛离子的酸溶液，铁离子的浓度为0.1～5mol·dm-3，钛离子的浓度为0.1～5mol·dm-3，酸的浓度为0.1～6mol·dm-3。
进一步地，所述电池的工作温度为-20～80℃。
进一步地，所述电池的正极和负极均采用板状结构或多孔结构的金属或碳材料，所述碳材料包括碳布、碳纸、碳毡。
进一步地，所述离子传导膜为离子交换膜或多孔膜。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明提出了一种低成本、高性能的铁钛液流电池，选用硫酸、磷酸等酸溶液作为支持电解质，避免负极电解液有沉淀析出；正负极电解液相同，可避免正负极电解液的交叉污染，选择铁离子、钛离子可大幅度降低液流电池成本，有利于液流电池的推广应用，同时具有循环寿命长、结构以及制造工艺简单的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为液流电池结构示意图；其中1-正极端板，2-负极端板，3-正极电极，4-负极电极，5-离子传导膜，6-循环泵Ⅰ，7-循环泵Ⅱ，8-正极电解液储液罐，9-负极电解液储液罐；
图2为实施例1、实施例2及实施例3不同铁离子和钛离子浓度条件下铁钛液流电池在40mA/cm2的电流密度条件下的性能；
图3为实施例4、实施例5及实施例6不同支持电解质浓度条件下铁钛液流电池在40mA/cm2的电流密度条件下的性能；
图4为实施例7、实施例8及实施例9铁钛液流电池在不同工作温度条件下，在40mA/cm2的电流密度条件下的性能；
图5为实施例10、实施例11及实施例12铁钛液流电池在40mA/cm2的电流密度条件下的性能；
图6为实施例11铁钛液流电池在40mA/cm2的电流密度条件下的循环性能；
图7为实施例12铁钛液流电池在40mA/cm2的电流密度条件下的循环性能。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的描述，而不是限制本发明的范围。
一种铁钛液流电池，结构如图1所示，由电池模块、正极电解液储液罐8、负极电解液储液罐9、循环泵Ⅰ6、循环泵Ⅱ7、循环管路组成，电池模块由一节或二节以上单电池串联而成，单电池包含电极端板(包括正极端板1和负极端板2)、双极板、电极(包括正极电极3和负极电极4)、离子传导膜5、电极框，正极电解液储液罐8经正极循环管路与电池模块的正极电极3相通，负极电解液储液罐9经负极循环管路与电池模块的负极电极4相通，电池的负极氧化还原电对为Ti3+/Ti4+，正极氧化还原电对为Fe2+/Fe3+，支持电解质为无机酸或有机酸，包括硫酸、磷酸、氯酸、盐酸、甲烷磺酸中的一种或多种混合物。
充电时，正极电解液和负极电解液分别经由循环泵Ⅰ6和循环泵Ⅱ7从正极电解液储液罐8和负极电解液储液罐9分别输送至正极和负极，Ti4+离子在负极还原为Ti3+离子，Fe2 +离子在正极氧化为Fe3+；放电时，Ti3+离子在负极氧化为Ti4+离子，经由循环泵Ⅱ7回到负极电解液储液罐9中；Fe3+离子在正极还原为Fe2+离子，经由循环泵Ⅰ6回到正极电解液储液罐8中。
正负极电解液均为含有铁离子和钛离子的酸溶液，铁离子与钛离子比例不限，铁离子的浓度为0.1～5mol·dm-3，钛离子的浓度为0.1～5mol·dm-3，酸的浓度为0.1～6mol·dm-3。
电池的工作温度为-20～80℃。
电池的正极电极3和负极电极4均采用板状结构或多孔结构的金属或碳材料，所述碳材料包括碳布、碳纸、碳毡。
离子传导膜5为离子交换膜或多孔膜。
实施例1
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为0.5mol/L的FeSO4和0.5mol/L的TiOSO4以及2.5mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例2
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1.0mol/L的FeSO4和1.0mol/L的TiOSO4以及2.5mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例3
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1.5mol/L的FeSO4和1.5mol/L的TiOSO4以及2.5mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例1-3的电池性能如图2所示，随着电解液中Fe/Ti浓度的提高，电池库伦效率变化不大，电压效率与能量效率先升高后降低，这是由于离子浓度的提高一方面会降低电池的浓差极化，提高电池性能；另一方面，也会使电解液的粘度增加，在相同扬程循环泵的作用下电解液流量下降，阻碍了电极附近电解质的更新，加剧了电池的浓差极化，二者的双重作用在实施例2中达到最佳平衡，单电池测试能量效率达到最大，为83.5％。
实施例4
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及1mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例5
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及3mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例6
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及5mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例4-6的电池性能如图3所示，随着电解液中硫酸浓度的提高，电池库伦效率变化不大，电压效率与能量效率先升高后降低，这是由于硫酸浓度的提高一方面会降低电池的欧姆极化，提高电池性能；另一方面，也会使电解液的粘度增加，提高了电池的浓差极化，二者的双重作用在实施例5中达到最佳平衡，单电池测试能量效率达到最大，为84.1％。
实施例7
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及3mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在-10℃恒温环境下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例8
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及3mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在35℃恒温环境下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例9
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及3mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在70℃恒温环境下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。
实施例7-9的电池性能如图4所示，随着单电池测试环境温度的提高，电池库伦效率逐渐降低，电压效率与能量效率升高。温度升高使得电解液中离子的扩散系数增加，使得阳离子交叉互穿的现象更加严重；另一方面，高温会提高铁离子和钛离子的电化学活性，从而降低电池的电化学极化，电压效率得到提高。实施例9单电池测试能量效率达到最大，为85.5％。
实施例10
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，甲烷磺酸为支持电解质，配置得到组成为3mol/L的FeSO4和3mol/L的TiOSO4以及1mol/L的甲烷磺酸的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。实施例10的电池性能如图5所示，由图5可知，电池的库伦效率为99％，电压效率为80％，能量效率可达79.2％。
实施例11
1、电解液配置：
以FeCl2和Ti(SO4)2为溶质，水为溶剂，盐酸和硫酸为支持电解质，配置得到组成为5mol/L的FeCl2和5mol/L的Ti(SO4)2、1mol/L的HCl以及2mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(Nafion211)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。实施例11电池性能如图5所示，由图5可知，电池的库伦效率为99％，电压效率为76％，能量效率可达75.2％。对单电池进行循环寿命测试，循环性能如图6所示，在10000个循环中，效率保持稳定。
实施例12
1、电解液配置：
以FeSO4和TiOSO4为溶质，水为溶剂，硫酸为支持电解质，配置得到组成为1mol/L的FeSO4和1mol/L的TiOSO4以及3mol/L的H2SO4的溶液，以此作为电解液。
2、电池组装：
单电池依次按照正极端板1、正极双极板(7.5×9.5cm2)、正极电极3(6×8cm2)、离子传导膜5(SPEEK)、负极电极4(6×8cm2)、负极双极板(7.5×9.5cm2)、负极端板2进行组装。
3、电池测试：
在室温下进行充放电测试，正负极各50mL电解液，流速为50mL/min，充放电电流密度为40mA/cm2，工作电压为0.3V至0.9V。实施例11电池性能如图5所示，由图5可知，电池的库伦效率为99％，电压效率为86％，能量效率可达85.1％。对单电池进行循环寿命测试，循环性能如图7所示，在10000个循环中，效率保持稳定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种铁钛液流电池，所述电池由电池模块、正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、循环泵Ⅰ、循环泵Ⅱ、循环管路组成，所述电池模块由一节或二节以上单电池串联而成，所述单电池包含电极端板、双极板、电极、离子传导膜、电极框，所述正极电解液储液罐经正极循环管路与电池模块的正极相连通，负极电解液储液罐经负极循环管路与电池模块的负极相连通，其特征在于，所述电池的负极氧化还原电对为Ti3+/Ti4+，正极氧化还原电对为Fe2+/Fe3+，支持电解质为硫酸；正极电解液为FeSO4，负极电解液为TiOSO4。
2.根据权利要求1所述的铁钛液流电池，其特征在于，充电时，正极电解液和负极电解液分别经由循环泵从正极电解液储液罐和负极电解液储液罐分别输送至正极和负极，Ti4+离子在负极还原为Ti3+离子，Fe2+离子在正极氧化为Fe3+；放电时，Ti3+离子在负极氧化为Ti4 +离子，经由循环泵回到负极电解液储液罐中；Fe3+离子在正极还原为Fe2+离子，经由循环泵回到正极电解液储液罐中。
3.根据权利要求1所述的铁钛液流电池，其特征在于，所述Fe2+浓度为0.1～5mol·dm-3，Ti4+浓度为0.1～5mol·dm-3，硫酸的浓度为0.1～6mol·dm-3。
4.根据权利要求1所述的铁钛液流电池，其特征在于，所述电池的工作温度为-20～80℃。
5.根据权利要求1所述的铁钛液流电池，其特征在于，所述电池的正极和负极均采用板状结构或多孔结构的金属或碳材料，所述碳材料包括碳布、碳纸、碳毡。
6.根据权利要求1所述的铁钛液流电池，其特征在于，所述离子传导膜为离子交换膜。
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