CN219979631U - 一种新型铁离子储能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于储能电池技术领域，具体涉及一种新型铁离子储能电池，包括外壳、正极、负极和电解液，所述正极和负极一端伸入所述外壳内，另一端伸出所述外壳，所述电解液填充于所述外壳内，所述正极伸入外壳内的一端上裹覆有石墨编织带，所述石墨编织带的外侧裹覆有第一活性炭毡；所述负极伸入所述外壳的一端上裹覆有第二活性炭毡；所述第一活性炭毡和第二活性炭毡之间设置有隔膜。本实用新型提升了电池体系的快速充放性能，实现了超长循环寿命。
Description
技术领域
本实用新型属于储能电池技术领域，涉及一种新型铁离子储能电池，具体涉及一种铁离子二次储能电池。
背景技术
现今世界各国明确提出加快提升水能、风能、太阳能、生物质能等可再生能源比重，要集中力量在可再生能源开发利用，特别是新能源并网技术和储能技术上取得突破。然而，由于可再生能源(如风能，太阳能和潮汐能等)具有间歇性，其不连续，不稳定的特点加大了其大规模并入电网的难度，为了提高可再生能源的利用率，发展大规模储能电池系统是有效的途径之一。
目前有望应用于大型储能的电池体系可以被简单分为基于无水有机电解液电池体系和基于水溶液电解质的电池体系。例如，传统的锂离子电池采用无水有机溶液作为电解液，表现出高的工作电压。然而，高毒性且易燃的有机电解液会造成电池爆炸的危险，这一个问题在大型储能领域更为突出。采用水溶液电解液则可以大幅度提升电池工作的安全性，其主要原因是含水电解液自身不可燃。因此，基于水溶液电解液的铁离子电池、镍-镉电池、镍氢电池、全钒液流电池、锌-溴液流电池以及近期发展起来的水系锂离子/钠离子电池等有望更加广泛地应用于大型储能领域。然而，就成本而言，铁离子电池的价格远远低于其他的水系电池体系，因此更加适用于大规模的应用。
水溶液二次电池因其独特的资源、价格、安全性等优点，被认为是规模储能的理想选择之一。目前，Li+、 Na+、 K+等碱金属离子被广泛用作电荷载流子，通过在正负极材料晶格中的嵌入/脱出反应以实现能量的存储/释放。另一方面，过渡金属不仅具有合适的反应电位，同时还具有极高的理论比容量，因此也是极具应用前景的水溶液负极材料之一。
第一，Fe元素在地壳中具有极高的自然丰度（46500 ppm），Fe金属也是目前工业社会中产量最高的金属，因此水溶液Fe电池可能具有极大的价格、资源优势；
第二，Fe电极具有极高的质量理论比容量（～960mAh/g）和体积比容量（～7557mAh/cm3），高于Zn金属；
第三，Fe金属具有较为合适的反应电位，Fe2+/Fe电对的电位（-0.44 V相对于标准氢电极）比Zn2+/Zn电对（-0.76 V）高出0.3 V，可能对应Fe金属在水溶液中更高的稳定性和更少的析氢副反应。因此，Fe金属二次电池具有十分诱人的应用前景。目前，Fe金属已用于某些液流电池体系，但在二次电池领域，尤其是Fe2+离子在固相晶格中的嵌入脱出反应这方面，鲜有文献报道。
铁（Fe）金属电池，如铁离子电池和全铁液流电池，由于铁和铁盐的成本极低，可以极低成本储存电能，是最有前途的电网储能技术之一。
铁金属具有的两个重要特性：第一点是铁离子的氧化还原电位高于锂离子；第二点是铁离子的半径与锂离子的半径几乎相同。由于铁离子更稳定，因此在充电过程中可防止短路。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种新型铁离子储能电池，用以减少环境污染、提升电池体系的快速充放性能、实现超长循环寿命。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：
一种新型铁离子储能电池，包括外壳、正极、负极和电解液，所述正极和负极一端伸入所述外壳内，另一端伸出所述外壳，所述电解液填充于所述外壳内，所述正极伸入外壳内的一端上裹覆有石墨编织带，所述石墨编织带的外侧裹覆有第一活性炭毡；所述负极伸入所述外壳的一端上裹覆有第二活性炭毡；所述第一活性炭毡和第二活性炭毡之间设置有隔膜。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池中，优选地，所述正极由钨网集流体和二氧化锰制成。二氧化锰可以通过化学或电化学的方法直接沉积在钨网集流体上，二氧化锰任何晶型的二氧化锰，包括α、β、γ、δ和尖晶石型等，也可以是无定型的二氧化锰。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池中，再优选地，所述负极由多孔泡沫铁制成。所述多孔泡沫铁是将铁粉、硫酸钠、硫酸钠铁构成铁膏涂覆在铁格板或铁合金格板内，通过反复的直流充放电形成。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池中，进一步优选地，所述电解液为胶体电解液，静止地储存在外壳内。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池中，再进一步优选地，所述隔膜为多孔聚合物膜、滤纸、玻璃纸和水刺无纺布隔膜中的一种或多种。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池，放电时，正极的二氧化锰得到电子，还原为二价锰离子，并溶于电解液中，同时负极铁给出电子，并被氧化生成硫酸钠铁；充电时，正极区的二价锰离子(Mn2+) 失去电子被氧化成固态的二氧化锰，并沉积在正极钨网集流体上，负极硫酸钠铁得到电子被还原成金属铁；充电和放电，循环交替进行。该电池的电极反应总结如下：
放电过程：
正极：MnO2 + 4H+ + 2e-→ Mn2+ + 2H2O
负极：Fe + SO4 2-→ FeSO4 + 2e-
充电过程：
正极：Mn2+ + 2H2O→ MnO2 + 4H+ + 2e-
负极：FeSO4 + 2e-→ Fe + SO4 2-
电池的副反应为氢氧燃料电池反应：
阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑；
阴极：4H++4e-=2H2↑，
总反应：2H2O=通电=2H2↑+O2↑
本实用新型的正极反应基于电极活性物质的溶解沉积反应，电极反应速率不受离子在电极晶体结构内部的扩散控制，表现出超高的功率密度；负极反应为稳定可靠的铁/硫酸钠铁转化反应，不存在枝晶问题，具有高稳定循环寿命。其快速充放性能和循环寿命也均远优于现有的铅酸电池体系，因此有望部分取代现有铅酸电池的市场。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为试验例1的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电5分钟，第1次放电）；
图3为试验例2的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电5分钟，第2次放电）；
图4为试验例3的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电5分钟，第3次放）；
图5为试验例4的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电10分钟，第1次放电）；
图6为试验例5的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电10分钟，第2次放电）；
图7为试验例6的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电10分钟，第3次放电）；
图8为试验例7的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电15分钟，第1次放电）；
图9为试验例8的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电15分钟，第2次放电）；
图10为试验例9的放电的电流电压曲线图（直流5V电压，充电电流1A，充电15分钟，第3次放电）；
图中：1-外壳，2-正极，3-负极，4-电解液，5-石墨编织带，6-第一活性炭毡，7-第二活性炭毡，8-隔膜。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种新型铁离子储能电池，如图1所示，包括外壳、正极、负极和电解液，正极和负极的一端伸入外壳内，另一端伸出外壳，该电解液为胶体电解液，静止地储存在外壳内，在正极伸入外壳内的一端上裹覆有石墨编织带，在石墨编织带的外侧裹覆有第一活性炭毡；在负极伸入外壳的一端上裹覆有第二活性炭毡；在第一活性炭毡和第二活性炭毡之间设置有水刺无纺布隔膜。
本实用新型的正极由钨网集流体和二氧化锰制成。
本实用新型的负极由多孔泡沫铁制成。所述多孔泡沫铁是将铁粉、硫酸钠、硫酸钠铁构成铁膏涂覆在铁格板内，通过反复的直流充放电形成。
在本实用新型提供的新型铁离子储能电池，放电时，正极的二氧化锰得到电子，还原为二价锰离子，并溶于电解液中，同时负极铁给出电子，并被氧化生成硫酸钠铁；充电时，正极区的二价锰离子(Mn2+) 失去电子被氧化成固态的二氧化锰，并沉积在正极钨网集流体上，负极硫酸钠铁得到电子被还原成金属铁；充电和放电，循环交替进行。该电池的电极反应总结如下：
放电过程：
正极：MnO2 + 4H+ + 2e-→ Mn2+ + 2H2O
负极：Fe + SO4 2-→ FeSO4 + 2e-
充电过程：
正极：Mn2+ + 2H2O→ MnO2 + 4H+ + 2e-
负极：FeSO4 + 2e-→ Fe + SO4 2-
电池的副反应为氢氧燃料电池反应：
阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑；
阴极：4H++4e-=2H2↑，
总反应：2H2O=通电=2H2↑+O2↑
试验例
为了验证本实用新型铁离子储能电池的充放电性能，设置了试验组1至试验组9进行充放性能测试，各组充放电数据和库伦效率见表1，放电曲线见图2至图10。
表1.不同充电容量（反应面积：5cm×5cm）情况下各组充放电数据和库伦效率
| 组别 | 充电电压(V) | 充电电流(A) | 充电时间(min) | 充电容量(mAh) | 放电容量(mAh) | 100mA放电库伦效应(%) | 放电截止电压(V) | 均压(V) |
| 1 | 5 | 1 | 5 | 84 | 73 | 86.9 | 0.7 | 1.18 |
| 2 | 5 | 1 | 5 | 84 | 73 | 86.9 | 0.7 | 1.2 |
| 3 | 5 | 1 | 5 | 84 | 73 | 86.9 | 0.7 | 1.21 |
| 4 | 5 | 1 | 10 | 167 | 115 | 68.86 | 0.7 | 1.33 |
| 5 | 5 | 1 | 10 | 167 | 120 | 71.85 | 0.7 | 1.36 |
| 6 | 5 | 1 | 10 | 167 | 121 | 72.45 | 0.7 | 1.38 |
| 7 | 5 | 1 | 15 | 250 | 156 | 62.4 | 0.7 | 1.42 |
| 8 | 5 | 1 | 15 | 250 | 163 | 65.2 | 0.7 | 1.42 |
| 9 | 5 | 1 | 15 | 250 | 168 | 67.2 | 0.7 | 1.43 |
由上表可以看出，各试验组的100mA放电库伦效率均大于62.5%，可见本实用新型的铁离子储能电池具有较高的安全性能。各试验组的充电5min，其充电容量可达到84mAh，具有较好的充电性能。
以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。
Claims (5)
1.一种新型铁离子储能电池，包括外壳、正极、负极和电解液，所述正极和负极一端伸入所述外壳内，另一端伸出所述外壳，所述电解液填充于所述外壳内，其特征在于，所述正极伸入外壳内的一端上裹覆有石墨编织带，所述石墨编织带的外侧裹覆有第一活性炭毡；所述负极伸入所述外壳的一端上裹覆有第二活性炭毡；所述第一活性炭毡和第二活性炭毡之间设置有隔膜。
2.根据权利要求1所述的新型铁离子储能电池，其特征在于，所述正极由钨网集流体和二氧化锰制成。
3.根据权利要求2所述的新型铁离子储能电池，其特征在于，所述负极由多孔泡沫铁制成。
4.根据权利要求3所述的新型铁离子储能电池，其特征在于，所述电解液为胶体电解液。
5.根据权利要求4所述的新型铁离子储能电池，其特征在于，所述隔膜为多孔聚合物膜、滤纸、玻璃纸和水刺无纺布隔膜中的一种或多种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |