CN115020756B - 一种锌-溴/碘双液流电池 - Google Patents

一种锌-溴/碘双液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锌‑溴/碘双液流电池，涉及电池技术领域。电池包括等离子体处理仪和变频脉冲器。本发明所提供的锌‑溴/碘双液流电池通过施加脉冲以及等离子体辅助的溴/碘，提高了导电性和活性，并以Cl2作为辅助，更易形成Br‑、I‑双离子，最终提高了Br2/Br‑、I2/I‑的电极动力学速率，增强了工作电流密度、减少了自放电效应、降低了电池内阻，从而提升了锌溴液流电池的性能。

Description

一种锌-溴/碘双液流电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种锌-溴/碘双液流电池。
背景技术
锌基氧化还原液流电池是一种将能量储存在溶液中的电化学系统，其具有高能量密度，低成本，长寿命，模块化，环保安全等特点，长期以来被视为重要的储能技术之一。如锌溴液流电池，正负半电极由隔膜分开，两侧电解液都为ZnBr2溶液。在动力泵的作用下，电解液在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。锌溴电池中发生的基本电极反应为：
正极：
负极：
在电极反应中，电解液水相中溴单质浓度过大，会降低电池性能，如自放电增大，电池内阻增大，电极表面活性下降。而且Br2/Br-较低的电极动力学反应速度限制了其工作电流密度。因此，提供一种具有高反应活性的锌-溴/碘双液流电池对于电池领域具有重要意义。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种锌-溴/碘双液流电池，通过在电极两端加入脉冲，并辅以Cl2和等离子体处理，提高Br2/Br-、I2/I-的电极动力学速率，增强工作电流密度，提高电池的反应活性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种提高锌-溴/碘双液流电池反应活性的方法，在充电过程中在电极两端施加脉冲，在放电过程中对正极电解液中的溴/碘单质进行等离子体处理。
进一步地，所述施加脉冲的电压为2-6V。
充电过程中，电极两端加入2-6V脉冲，能够加速Br2和I2溶解到电解液内，充电过程中电极反应为：
正极：
负极：
进一步地，所述离子体处理的功率为1-5KW。
利用等离子体处理仪，将溴/碘单质等离子体化。放电过程中电极反应为：
正极：Br2(g)→2Br·；2Br·+2e-→2Br-
I2(g)→2I·；2I·+2e-→2I-
Gl2(g)→2Cl·；2Cl·+2e-→2Cl-
负极：Zn(s)-2e-→Zn2+
进一步地，所述锌-溴/碘双液流电池的电解液中包括ZnCl2。
进一步地，所述ZnCl2的浓度为0.1-0.3mol/L。
本发明技术方案之二，一种用于上述方法的锌-溴/碘双液流电池，包括用于处理所述锌-溴/碘双液流电池正极电解液中溴/碘单质的等离子体处理仪，以及和所述锌-溴/碘双液流电池电极的两端连接的脉冲器。
进一步地，还包括与所述等离子体处理仪连接的集流体。
进一步地，还包括设置在锌-溴/碘双液流电池的阴极流道与极板之间的引流器。
在阴极流道与极板间加入一个引流器，使得阴极产生的Br2/I2和少量的作为辅助的Cl2全部收集到集流体内。将集流体连接1-5KW等离子体处理仪，利用等离子体处理仪，将集流器内收集的溴/碘单质等离子体化。
进一步地，还包括管路循环系统；所述管路循环系统主要由泵、流道和储罐组成。
所述管路循环系统包括正、负极电解液储罐和流道，由(电解液循环)泵提供电解液的循环动力；引流器连接电解液储罐与集流器。
进一步地，所述脉冲器与所述锌-溴/碘双液流电池电极的两端连接。
进一步地，所述锌-溴/碘双液流电池的电解液包括ZnBr2和ZnI2
所述ZnBr2的浓度为0.1-0.3mol/L，ZnI2的浓度为0.1-0.3mol/L，
进一步地，所述电池还包括双极板和隔膜。
双极板是发生电极反应的场所；隔膜将正极和负极的电解液隔开避免电解液短路。
进一步地，所述双极板为石墨板；所述隔膜为聚丙烯腈电池隔膜。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种提高锌-溴/碘双液流电池反应活性的方法，在充电过程中在电极两端加入脉冲，加速Br2，I2溶解到电解液内，并以Cl2作为辅助，更易形成Br-、I-双离子。在放电过程中利用低温等离子体处理溴/碘/氯单质，提升其导电性，增强溴/碘/氯的反应活性，从而提高Br2/Br-、I2/I-的电极动力学速率，增强工作电流密度，提升电池的工作效率。
与电解液水相中单独存在的溴单质的锌-溴单液流电池相比，本发明所提供的锌-溴/碘双液流电池通过施加脉冲以及等离子体辅助的溴/碘，提高了导电性和活性，并以Cl2作为辅助，更易形成Br-、I-双离子，最终提高了Br2/Br-、I2/I-的电极动力学速率，增强了工作电流密度、减少了自放电效应、降低了电池内阻，从而提升了锌溴液流电池的性能。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明锌-溴/碘双液流电池的充电过程示意图；
图2为本发明锌-溴/碘双液流电池的放电过程示意图；
图3为本发明实施例1中Zn电极反应前的低分辨率和高分辨率透射电镜照片；其中，a为高分辨率照片，b为低分辨率照片；
图4为本发明实施例1中锌-溴/碘双液流电池的性能图；
图5为本发明对比例1中锌-溴/碘双液流电池的性能图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明锌-溴/碘双液流电池的充电过程示意图如图1所示；
本发明锌-溴/碘双液流电池的放电过程示意图如图2所示。
实施例1
一种新型氧化还原锌-溴/碘双液流电池，电池的两端是两块石墨板，阴极为锌板，锌板与石墨板之间用活性碳纤维布固定，隔膜为聚丙烯腈电池隔膜，管路循环系统包括正负极电解液储罐和流道，由电解液循环泵提供电解液的循环动力，阴极流道与极板间设有一个引流器，引流器连接电解液储罐，使得阴极产生的Br2/I2和少量的作为辅助的Cl2全部收集到集流体内，集流体连接等离子体处理仪，电极两端连接变频脉冲器，正极、负极均使用100mL电解液，电解液均为0.1mol/L ZnBr2、0.1mol/L ZnI2以及0.1mol/L ZnCl2的混合液体。
在锌-溴/碘双液流电池的充电过程中，电极两端加入6V脉冲，在放电过程中设置等离子体处理仪的功率为5KW，利用等离子体处理仪将集流器内收集的溴/碘单质等离子体化。
图3为本实施例所用Zn电极反应前的低分辨率和高分辨率透射电镜照片，其中，a为低倍照片，b为高分辨照片；由图3能够看出Zn电极中只有Zn，无其他元素或化合物。
本实施例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为90.5％，充电容量保持在2600mAh，可以稳定循环60次，具体见图4。
实施例2
一种新型氧化还原锌-溴/碘双液流电池，电池的两端是两块石墨板，阴极为锌板，锌板与石墨板之间用活性碳纤维布固定，隔膜为聚丙烯腈电池隔膜，管路循环系统包括正负极电解液储罐和流道，由电解液循环泵提供电解液的循环动力，阴极流道与极板间设有一个引流器，引流器连接电解液储罐，使得阴极产生的Br2/I2和少量的作为辅助的Cl2全部收集到集流体内，集流体连接等离子体处理仪，电极两端连接变频脉冲器，正极、负极均使用100mL电解液，电解液均为0.3mol/L ZnBr2、0.3mol/L ZnI2以及0.3mol/L ZnCl2的混合液体。
在锌-溴/碘双液流电池的充电过程中，电极两端加入2V脉冲，在放电过程中设置等离子体处理仪的功率为1KW，利用等离子体处理仪将集流器内收集的溴/碘单质等离子体化。
本实施例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为85％，充电容量保持在2650mAh，可以稳定循环30次。
实施例3
一种新型氧化还原锌-溴/碘双液流电池，电池的两端是两块石墨板，阴极为锌板，锌板与石墨板之间用活性碳纤维布固定，隔膜为聚丙烯腈电池隔膜，管路循环系统包括正负极电解液储罐和流道，由电解液循环泵提供电解液的循环动力，阴极流道与极板间设有一个引流器，引流器连接电解液储罐，使得阴极产生的Br2/I2和少量的作为辅助的Cl2全部收集到集流体内，集流体连接等离子体处理仪，电极两端连接变频脉冲器，正极、负极均使用100mL电解液，电解液均为0.2mol/L ZnBr2、0.2mol/L ZnI2以及0.2mol/L ZnCl2的混合液体。
在锌-溴/碘双液流电池的充电过程中，电极两端加入4V脉冲，在放电过程中设置等离子体处理仪的功率为3KW，利用等离子体处理仪将集流器内收集的溴/碘单质等离子体化。
本实施例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为89％，充电容量保持在2540mAh，可以稳定循环48次。
对比例1
与实施例1相同，区别仅在于，省略等离子体处理仪器和变频脉冲器的连接。
本对比例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为70％，充电容量保持在2600mAh，可以稳定循环10次，具体见图5。
对比例2
与实施例1相同，区别仅在于，省略等离子体处理仪器的连接。
本对比例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为80％，充电容量保持在2430mAh，可以稳定循环35次。
对比例3
与实施例1相同，区别仅在于，省略变频脉冲器的连接。
本对比例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为70％，充电容量保持在2500mAh，可以稳定循环35次。
对比例4
与实施例1相同，区别仅在于，省略电解液中ZnCl2的添加。
本对比例中锌-溴/碘双液流电池40mA/cm2恒流充放电，充电时间为2h，首次库伦效率为71％，充电容量保持在2000mAh，可以稳定循环20次。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提高锌-溴/碘双液流电池反应活性的方法，其特征在于，在充电过程中在电极两端施加脉冲，在放电过程中对正极电解液中的溴/碘单质进行等离子体处理；
所述锌-溴/碘双液流电池的电解液中包括ZnCl2、ZnBr2和ZnI2；
所述ZnCl2的浓度为0.1-0.3mol/L；
所述施加脉冲的电压为2-6V；
所述等离子体处理的功率为1-5KW。
2.一种用于权利要求1所述方法的锌-溴/碘双液流电池，其特征在于，包括用于处理所述锌-溴/碘双液流电池正极电解液中溴/碘单质的等离子体处理仪，以及和所述锌-溴/碘双液流电池电极的两端连接的脉冲器。
3.根据权利要求2所述的锌-溴/碘双液流电池，其特征在于，还包括与所述等离子体处理仪连接的集流体。
4.根据权利要求2所述的锌-溴/碘双液流电池，其特征在于，还包括设置在锌-溴/碘双液流电池的阴极流道与极板之间的引流器。
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