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一种简易的提高钒电池性能的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学储能及化学电源技术领域，具体是指一种简易的提高钒电池性能的方法及应用。商用钒电解液主要为钒盐和硫酸的混合溶液，钒离子的浓度为1.5～1.8mol L‑1，硫酸的浓度为2.5～3.5mol L‑1。本发明采用同样浓度的硫酸溶液对钒电解液进行稀释，使钒电解液中活性离子的浓度降低到0.8～1.2mol L‑1，通过稀释钒电解液中活性物质的浓度，降低了钒电解液的粘度，进而提高了它的电导率，并且有效地改善了电解液在电极内部的传输，最终使钒电池的电压效率、能量效率和电解液利用率得到了显著提升。该方法简单易行，效果明显，可广泛用于钒电堆及其系统，来提高其电池及系统效率。

Description

一种简易的提高钒电池性能的方法及应用
技术领域
本发明涉及电化学储能及化学电源技术领域，具体是指一种简易的提高钒电池性能的方法及应用。
背景技术
随着化石能源的枯竭和环境污染的加剧，世界范围内都在大力发展可再生能源发电。但是太阳能、风能等新能源具有一定的间歇性和分散性，直接并网应用会对电网带来较大的冲击，影响电能的质量和稳定性，因此必须配套高效的储能技术方可稳定持续供电。
在各种储能技术中，液流电池得到了广泛的关注。那什么是全钒液流电池呢？它是由电极、隔膜、双极板和电解液构成，其电能存储在流动的电解液中，并在电极的表面发生氧化还原反应实现电能的存储和释放。它具有安全高效、循环寿命长、易于规模化等优点，但其较低的功率密度和较高的成本限制了它的商业化发展。
目前来说，提高电池的效率和功率密度是降低电池成本的重要途径，而围绕钒电池的关键材料(如：电极、隔膜和电解液)进行改性及优化是提高电池效率的主要途径。例如：研究者通过在热处理、化学处理和电化学处理的方法在电极的表面修饰一些活性官能团来提高电极的催化活性；通过改善膜的组分及结构来提高隔膜的离子电导率和离子选择性；通过往电解液中添加适量的添加剂来改善钒离子的动力学特性，等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易的提高钒电池性能的方法及应用，从而有效地改善电解液的电导率及电解液在电极内部的传输过程，最终使钒电池的电压效率、能量效率和电解液利用率得到了显著提升。
本发明的技术方案是：
一种简易的提高钒电池性能的方法，该方法通过稀释商用钒电解液中活性物质的浓度，从而降低钒电解液的粘度，提高其电导率。
所述的简易的提高钒电池性能的方法，商用钒电解液主要为钒盐和硫酸的混合溶液，其中钒盐为活性物质，硫酸为支持电解质，钒离子的浓度为1.5～1.8mol L-1，硫酸的浓度为2.5～3.5mol L-1。
所述的简易的提高钒电池性能的方法，该方法通过稀释降低商用钒电解液中活性物质的浓度，支持电解质的浓度保持不变。
所述的简易的提高钒电池性能的方法，采用与商用钒电解液同等浓度2.5～3.5mol L-1的硫酸溶液对钒电解液进行稀释，使商用钒电解液中活性物质的浓度降低到0.8～1.2 mol L-1。
所述的简易的提高钒电池性能的方法，优选的，商用钒电解液中活性物质的浓度降低到1.0～1.1mol L-1。
所述的简易的提高钒电池性能的方法的应用，将该方法应用到钒电池充放电过程中，不仅降低电池的欧姆极化，并且有效地改善电解液在电极内部的传输，减小其浓差极化，最终使钒电池的电压效率、能量效率和电解液利用率得到显著提升。
本发明原理如下：
一般来说，钒电解液的粘度随着活性物质浓度的增加而增加，而其电导率则随着活性物质浓度的增加而降低。通过稀释钒电解液中活性物质的浓度，会降低钒电解液的粘度，提高其电导率，不仅可以降低电解液的欧姆内阻，还可以有效改善电解液在电极内部的传输。
本发明的有益效果是：
1、针对目前商用钒电解液(钒离子浓度约为1.5～1.8mol L-1)，为了提高钒电池的电池性能，本发明通过稀释其中活性物质的浓度，从而降低钒电解液的粘度，提高其电导率。
2、将本发明应用到钒电池充放电过程中，不仅可以降低电池的欧姆极化，还可以有效改善电解液在电极内部的传输，减小其浓差极化，最终使钒电池的电压效率、能量效率和电解液利用率得到了显著提升。
附图说明
图1为对商用钒电解液进行稀释处理的示意图。
图2为实施例1中电解液稀释前后钒电池的充放电曲线。图中，PE:Pristineelectrolyte，初始电解液；DE:Diluted electrolyte，稀释的电解液。横坐标Cycle number代表循环次数，纵坐标Voltage代表电压(V)。
图3为实施例1中电解液稀释前后钒电池的效率曲线。图中，PE:Pristineelectrolyte，初始电解液；DE:Diluted electrolyte，稀释的电解液；CE:Coulombicefficiency，库伦效率；VE:Voltage efficiency，电压效率；EE:Energy efficiency，能量效率。横坐标Cycle number代表循环次数，纵坐标Efficiencies代表效率(％)。
具体实施方式
如图1所示，本发明所涉及的商用钒电解液A为1.7mol L-1的活性离子(V3.5+) 溶液，其中硫酸的浓度为3.0mol L-1。钒电池分别取商用钒电解液20mL作为正负极电解液，面积为9cm2(3cm×3cm×1.75cm)的石墨毡为电池的正负极，Nafion 212 为隔膜，并采用刻有插指型流道的石墨板作为双极板，镀金铜作为集流板。钒电池运行过程中，采用蠕动泵作为钒电池供液装置，电解液的流量为40mL min-1，电极的压缩比为70％。
实验中以初始的商用钒电解液作为对比，而实施例中则是利用3.0mol L-1的硫酸溶液将商用钒电解液稀释，具体硫酸溶液的加入量(VAdd)则根据商用钒电解液中活性离子的稀释倍数(n)来计算：
其中：VAdd为加入3.0mol L-1的稀硫酸溶液的体积(mL)，n为商用钒电解液活性离子稀释的倍数(0<n<1)。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例1：
本实施例中，先以商用钒电解液为初始电解液，对上述钒电池进行充放电，结果发现：当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的电解液利用率为78.3％，能量效率为88.5％；当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的电解液利用率为75.6％，能量效率为80.8％(图3中的曲线2和图2)；之后，分别向正负极电解液中添加3.0mol L-1的稀硫酸溶液(B)14mL，即得到稀释后电解液C(图1)，此时电解液的活性离子浓度为1.0mol L-1，其中硫酸的浓度为3.0mol L-1；然后对该电池进行充放电实验，结果发现：当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的电解液利用率为80.2％，能量效率为89.3％；当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的电解液利用率为83.2％，能量效率为83.1％(图3中的曲线5和图2)。
如图3中的曲线1所示，采用初始电解液进行电池进行充放电实验时，当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的库伦效率为97.9％；当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的库伦效率为98.2％。如图3中的曲线4所示，采用稀释的电解液进行电池进行充放电实验时，当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的库伦效率为 97.7％；当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的库伦效率为98.4％。
如图3中的曲线3所示，采用初始电解液进行电池进行充放电实验：当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的电压效率为90.4％；当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的电压效率为82.3％。如图3中的曲线6所示，采用稀释的电解液进行电池进行充放电实验：当充放电电流密度为100mA cm-2时，电池的电压效率为91.4％；当充放电电流密度为200mAcm-2时，电池的电压效率为84.5％。
由此可见，钒电解液稀释后，不仅电池的电解液利用率得到了提高，其能量效率也得到了大幅提升。
实施例2：
在本实施例中，同样以商用钒电解液为比较对象，与实施例1不同的是，分别向正负极电解液中添加3.0mol L-1的稀硫酸溶液8.3mL，即此时电解液的活性离子浓度为1.2molL-1，然后对该电池进行充放电实验，结果发现当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的电解液利用率为81.0％，能量效率为82.5％。可见，钒电解液稀释后，钒电池的电解液利用率和能量效率也得到了大幅提升，但相比于钒离子浓度稀释到1 mol L-1时的电池性能要稍差一些。
实施例3：
在本实施例中，同样以商用钒电解液为比较对象，与实施例1不同的是，分别向正负极电解液中添加3.0mol L-1的稀硫酸溶液22.5mL，即此时电解液的活性离子浓度为0.8mol L-1，然后对该电池进行充放电实验，结果发现当充放电电流密度为200mA cm-2时，电池的电解液利用率为83.5％，能量效率为83.3％。可见，钒电解液稀释后，钒电池的电解液利用率和能量效率也得到了大幅提升，但相比于钒离子浓度稀释到1 mol L-1时的电池性能要稍好一些。
实施例结果表明，本发明所涉及的一种简易的提高钒电池性能的方法，可以明显提高钒电池的电解液利用率和能量效率。其中，随着钒离子浓度的降低，钒电池的充放电性能不断提升，当钒离子浓度稀释到1mol L-1时，钒电池的电解液利用率和能量效率均得到了显著提高，但再进一步的降低钒离子浓度，电池性能提升的幅度逐渐变小。考虑到活性物质浓度较大时，对活性物质供给速度的要求就小一些，相应的泵耗也会小一些，而且能够提供更大的能量密度。因此，钒离子的浓度稀释到1.0～1.1mol L-1时，综合性能为最佳。该方法简单易行，效果明显，可广泛用于钒电堆及其系统，来提高其电池及系统效率。

Claims (4)

1.一种简易的提高钒电池性能的方法，其特征在于，该方法通过稀释商用钒电解液中活性物质的浓度，从而降低钒电解液的粘度，提高其电导率；
商用钒电解液主要为钒盐和硫酸的混合溶液，其中钒盐为活性物质，硫酸为支持电解质，钒离子的浓度为1.5~1.8 mol L-1，硫酸的浓度为2.5~3.5 mol L-1；
采用与商用钒电解液同等浓度2.5~3.5 mol L-1的硫酸溶液对钒电解液进行稀释，使商用钒电解液中活性物质的浓度降低到0.8~1.2 mol L-1。
2.按照权利要求1所述的简易的提高钒电池性能的方法，其特征在于，该方法通过稀释降低商用钒电解液中活性物质的浓度，支持电解质的浓度保持不变。
3.按照权利要求1所述的简易的提高钒电池性能的方法，其特征在于，商用钒电解液中活性物质的浓度降低到1.0~1.1 mol L-1。
4.一种权利要求1至3之一所述方法的应用，其特征在于，将该方法应用到钒电池充放电过程中，不仅降低电池的欧姆极化，并且有效地改善电解液在电极内部的传输，减小其浓差极化，最终使钒电池的电压效率、能量效率和电解液利用率得到显著提升。
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