CN114361548A - 一种采用多孔膜的非水系热再生电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多孔膜的非水系热再生电池，包括阴极腔室和阳极腔室；阴极腔室和阳极腔室之间通过多孔膜分隔,在阴极腔室和阳极腔室内分别放置阴极电极和阳极电极，阴极电极和阳极电极通过金属导流片和外电路连接；其特征在于：阳极电解液采用溶解有四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂的乙腈与碳酸丙烯酯的混合溶液，在阳极电解液中设置有纳米铜颗粒电极；阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂与乙腈、碳酸丙烯酯以及四氟硼酸铜的混合溶液，或者阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂与乙腈、碳酸丙烯酯以及六氟磷酸铜的混合溶液；本发明可广泛应用在储能、电力、及汽车等领域。

Description

一种采用多孔膜的非水系热再生电池

技术领域

本发明涉及热再生电池领域，具体涉及一种采用多孔膜的非水系热再生电池。

背景技术

热再生电池(Thermally Regenerative Battery，TRB)是一种将低温废热转换成电能的新型电化学产电系统技术。

非水系TRB基于电化学反应，通过向电池阴极电解液中加入铜离子、电池阳极电解液液中加入纳米铜颗粒，形成电势差产生电能。非水系TRB的整个循环过程包括产电过程和热再生过程。在产电过程中，非水系TRB阴极发生电解液中的铜离子还原成亚铜离子的反应，在阳极中发生的是铜电极被乙腈腐蚀，生成亚铜-乙腈络合物和电子的反应。热再生过程中，亚铜-乙腈络合物受热分解成乙腈、铜单质和铜离子，可以实现阳极液的热再生，热再生的乙腈和铜单质通入电池阳极，含有铜离子的有机溶液通入阴极，构成完整的热再生产电循环系统。

非水系TRB的膜主要功能有，一是分隔阴阳极腔室活性物质；二是促进支持电解质离子在阴阳极之间的传输。然而阴离子交换膜在有机溶剂中，易发生膨胀，进而导致孔隙尺寸发生变化，因而影响非水系热再生电池长期运行稳定性。为此，需要解决非水系TRB中阴离子交换膜在有机溶剂中易膨胀的问题，保证电池的长期运行稳定性，提高电池寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用多孔膜的非水系热再生电池。

本发明的技术方案是：一种采用多孔膜的非水系热再生电池，包括阴极腔室和阳极腔室；阴极腔室和阳极腔室之间通过多孔膜分隔,在阴极腔室和阳极腔室内分别放置阴极电极和阳极电极，阴极电极和阳极电极通过金属导流片和外电路连接；其特征在于：阳极电解液采用溶解有四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂的乙腈与碳酸丙烯酯的混合溶液，在阳极电解液中设置有纳米铜颗粒电极；阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂与乙腈、碳酸丙烯酯以及四氟硼酸铜的混合溶液，或者阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵或六氟磷酸锂与乙腈、碳酸丙烯酯以及六氟磷酸铜₂)的混合溶液；阳极纳米铜颗粒电极与乙腈发生络合反应，产生电子以及亚铜-乙腈络合物；并与阳极电极碰撞向阳极电极传递电子，电子再通过金属导流片与外电路传递到阴极腔室，参与阴极腔室的Cu²⁺离子还原反应，Cu²⁺被还原成Cu⁺，随后Cu⁺与乙腈生成亚铜-乙腈络合物；电解液中的阴离子通过多孔膜迁移形成离子电流。

本发明采用多孔膜分隔热再生电池阴阳极，阻隔阳极纳米铜颗粒电极，防止其进入阴极影响电池性能，在有机溶剂中，多孔膜的化学性质和机械强度稳定，使电池在多次反应后依然可以保持稳定的性能。并且多孔膜内支持电解质离子跨膜传输阻力更小，可有效减小电池内阻，提高电池性能。多孔膜成本远低于阴离子交换膜，更有利于非水系TRB构建电堆，放大化的未来商业使用。

根据本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池的优选方案，所述阴极电极和阳极电极均分别与多孔膜紧贴，以减小电池内阻。

根据本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池的优选方案，阴极电极和阳极电极分别采用阴极碳毡电极和阳极碳毡电极。

本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池的有益效果是：本发明通过使用多孔膜分隔阴阳极腔室，成功避免阴离子交换膜在有机溶剂中膨胀的问题，提高了电池长期运行稳定性。另外，通过使用多孔膜，可以有效减小阴阳极腔室间支持电解质离子跨膜传输阻力，减小欧姆内阻，有效提高电池性能，且多孔膜相较于阴离子交换膜具有成本优势，方便未来放大化的商业使用。

本发明可广泛应用在储能、电力、及汽车等领域。

附图说明

图1是本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池的结构示意图。

图2是本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池与热再生氨电池的产电性能比较图。

图3是本发明所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池的充-放电性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。但应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见图1至图3，一种采用多孔膜的非水系热再生电池，包括阴极端板1、阳极端板2、阴极碳毡电极3、阳极碳毡电极4、多孔膜5、阴阳极金属导流片11、阴极腔室8、阳极腔室9；阴极腔室8和阳极腔室9之间通过多孔膜5分隔,在阴极腔室8和阳极腔室9内分别放置阴极电极3和阳极电极4分别嵌入阴极腔室8和阳极腔室9内固定，且均与多孔膜5紧贴；阴极电极3和阳极电极4通过金属导流片11和外电路10连接；阳极电解液采用溶解四氟硼酸四乙铵TEABF₄或六氟磷酸锂LiPF₆的乙腈ACN与碳酸丙烯酯PC的混合溶液，在阳极电解液中设置有纳米铜颗粒电极12，阳极电极4与纳米铜颗粒电极12充分接触；阴极电解液采用溶解有四氟硼酸四乙铵TEABF₄或六氟磷酸锂LiPF₆的乙腈ACN、碳酸丙烯酯PC与四氟硼酸铜Cu(BF₄)₂或六氟磷酸铜CuPF₆₂的混合溶液，阳极纳米铜颗粒电极与乙腈发生络合反应，产生电子以及亚铜-乙腈络合物；并与阳极电极碰撞向阳极电极传递电子，电子再通过金属导流片11与外电路10、导线6传递到阴极腔室，参与阴极腔室的Cu²⁺离子还原反应，Cu²⁺被还原成Cu⁺，随后Cu⁺与乙腈生成亚铜-乙腈络合物；电解液中的阴离子通过多孔膜迁移形成离子电流。为了防止电解液渗漏，阴极腔室与多孔膜之间、多孔膜与阳极腔室之间需要使用垫片7密封。

在具体实施例中，阴极电极3和阳极电极4分别采用阴极碳毡电极和阳极碳毡电极。

本发明的工作原理是：在本发明中阴、阳极腔室中间通过多孔膜隔开，阴极电极采用碳毡电极，阳极电极采用纳米铜颗粒电极，阳极纳米铜颗粒电极与乙腈发生络合反应，与阳极碳毡电极碰撞并向碳毡传递电子，产生电子和亚铜-乙腈络合物。产生的电子通过电极与外电路传递到阴极，参与阴极的Cu²⁺离子还原反应，Cu²被还原成Cu⁺，随后Cu⁺与乙腈生成亚铜-乙腈络合物。在电解液中，阴阳极的阴离子通过多孔膜迁移形成离子电流，形成电路回路。电极阴阳极反应如下

阳极反应：Cu(s)+4CH₃CN-e^-→Cu(CH₃CN)₄ ⁺

阴极反应：Cu²⁺+4CH₃CN+e^-→Cu(CH₃CN)₄ ⁺

通过阴阳极电极反应，电池可以持续产电，只有当阳极电解液中的纳米铜颗粒或阴极电极液中的铜离子耗尽，反应才会停止，电池才会停止产电。在反应过程中，阳极电解电解液中亚铜-乙腈络合物浓度不断增加，阴极电解液中的铜离子由于还原成Cu⁺并与乙腈络合生成亚铜-乙腈络合物而不断减少。此外，阳极纳米铜颗粒电极质量也影响电池产电，当颗粒电极耗尽，电池停止产电。

通过对比图2中的工况可知，采用多孔膜的非水系热再生电池最大性能高于采用泡沫铜电极的热再生氨电池，高110％，且采用多孔膜的非水系热再生氨电池的开路电压约为1.2V，比水系的热再生氨电池高。说明了采用多孔膜的非水系热再生电池比水系热再生氨电池的开路电压更高，最大功率输出更高。

图3为采用多孔膜的非水系热再生电池的充-放电曲线，在10个循环内，能量效率大约为51％。这说明采用多孔膜的非水系热再生电池产电稳定性良好。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种采用多孔膜的非水系热再生电池，包括阴极腔室(8)和阳极腔室(9)；阴极腔室(8)和阳极腔室(9)之间通过多孔膜(5)分隔,在阴极腔室(8)和阳极腔室(9)内分别放置阴极电极(3)和阳极电极(4)，阴极电极(3)和阳极电极(4)通过金属导流片(11)和外电路(10)连接；其特征在于：阳极电解液采用四氟硼酸四乙铵(TEABF₄)或六氟磷酸锂(LiPF₆)与乙腈、碳酸丙烯酯的混合溶液，在阳极电解液中设置有纳米铜颗粒电极(12)；阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵(TEABF₄)或六氟磷酸锂(LiPF₆)与乙腈、碳酸丙烯酯以及四氟硼酸铜(Cu(BF₄)₂)的混合溶液，或者阴极电解液采用四氟硼酸四乙铵(TEABF₄)或六氟磷酸锂(LiPF₆)与乙腈、碳酸丙烯酯以及六氟磷酸铜(Cu(PF₆)₂)的混合溶液，阳极纳米铜颗粒电极与乙腈发生络合反应，产生电子以及亚铜-乙腈络合物；并与阳极电极碰撞向阳极电极传递电子，电子再通过金属导流片(11)与外电路(10)传递到阴极腔室，参与阴极腔室的Cu²⁺离子还原反应，Cu²⁺被还原成Cu⁺，随后Cu⁺与乙腈生成亚铜-乙腈络合物；电解液中的阴离子通过多孔膜迁移形成离子电流。

2.根据权利要求1所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池，其特征在于：所述阴极电极(3)和阳极电极(4)均分别与多孔膜(5)紧贴，。

3.根据权利要求1所述的一种采用多孔膜的非水系热再生电池，其特征在于：阴极电极(3)和阳极电极(4)分别采用阴极碳毡电极和阳极碳毡电极。

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