鋅鐵基離子液體液流電池制造技術

本發明專利技術涉及到一種新型的鋅鐵基離子液體液流電池，屬于電化學領域，可廣泛應用于新能源的大規模儲能。本發明專利技術由于選用溶解力很強的離子液體來制備正負極電解液，因而獲得了高濃度的活性物質。對于負極的鋅基離子液體來說，前驅體氟化鋅與前驅體離子液體的摩爾比為(1?3):1。對于正極的鐵基離子液體來說，前驅體氟化亞鐵與前驅體離子液體的摩爾比為(1?3):1。本發明專利技術的能量密度可達到現有水介質鋅鐵液流電池能量密度的3倍以上。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及到一種新型的鋅鐵基離子液體液流電池，屬于電化學領域，可廣泛應用于新能源的大規模儲能。
技術介紹
二十一世紀人類面臨多種嚴峻的挑戰，如氣候變暖、土地沙化、能源枯竭等。世界各國政府高度重視新能源的開發利用。儲能技術是新能源利用的關鍵技術。現有的電力儲能技術有抽水電站、壓縮空氣、超導磁和電池等等。液流電池是一種新型的大容量氧化還原電化學儲能裝置。與常規電池不同，液流電池的活性物質不在電極上，而是溶解在電解液中，是電解液的組成成分。液流電池的電極是電化學惰性材料，只為電極反應提供場所，而不參與成流的電極反應。因而，液流電池的功率和容量是可以獨立設計的。其功率取決于電極和電堆的尺寸，容量則取決于電解液的量和濃度。當前，鋅鐵液流電池的研究僅限于水介質體系，包括堿性體系和酸性體系。堿性體系的負極反應為：正極反應為：該堿性體系負極電解液活性物質的濃度約為1.5mol/L，正極電解液活性物質的濃度約為0.5mol/L。如果換算成溶質與溶劑的摩爾比，負極電解液為1∶37，正極電解液為1∶112。鋅鐵液流電池的酸性體系的負極反應為：正極反應為：該酸性體系負極電解液活性物質的濃度約為2.0mol/L,正極電解液活性物質的濃度約為1.0mol/L。如果換算成溶質與溶劑的摩爾比，負極電解液為1∶28，正極電解液為1∶56。從能量密度來說，這么低的活性物質濃度是不能滿足實際需要的。
技術實現思路
r>本專利技術的目的是提供一種高能量密度鋅鐵基離子液體液流電池，克服現有液流電池的不足之處，拓寬鋅鐵資源的利用范圍。本專利技術主要是在現有液流電池的基礎上改進而成。本專利技術主要由負極、負極電解液、正極、正極電解液和離子交換膜(隔膜)組成的多節電池單體聯成的電堆，負極電解液置于負極儲液罐中，由泵來進行負極電解液的輸送，正極電解液置于正極儲液罐中，由泵來進行正極電解液的輸送。電堆中的負極室用電解液導管與負極儲液罐、負極電解液輸送泵連成回路，負極電解液在該回路中循環流動。電堆中的正極室通過電解液導管與正極儲液罐、正極電解液輸送泵連成回路，正極電解液在該回路中循環流動。本專利技術的關鍵在于所述負極電解液為鋅基離子液體，正極電解液為鐵基離子液體。所述負極電解液的鋅基離子液體，選用氟化鋅溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽中配成鋅基離子液體，其結構式如下：n＝1-3，鋅基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質；所述正極電解液的鐵基離子液體，選用氟化亞鐵溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽中配成鐵基離子液體，其結構式如下：n＝1-3，鐵基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質。正負極電解液中均含有質量百分比為0.5％—10％的氟化鈉。本專利技術的鋅鐵基離子液體液流電池以鋅基離子液體作為負極活性物質，鐵基離子液體為正極活性物質，其電極反應如下：負極反應：正極反應：其工作原理是利用不同價態鋅鐵基離子液體之間的氧化還原反應來實現能量的轉換，正、負極活性物質為液態的鐵鋅基離子液體，氧化還原反應發生在惰性電極上。充放電時，正、負極電解液在各自的回路中循環流動。充電時，鋅基離子液體還原成鋅，二價鐵基離子液體氧化成三價鐵基離子液體；放電時，鋅氧化成鋅基離子液體，三價鐵基離子液體還原成二價鐵基離子液體。電池單體的正、負極標準電勢差為1.60V。本專利技術的鋅鐵基離子液體液流電池，由于選用溶解力很強的離子液體來制備正負極電解液，因而獲得了高濃度的活性物質。對于負極的鋅基離子液體來說，前驅體氟化鋅與前驅體離子液體的摩爾比為(1-3):1。對于正極的鐵基離子液體來說，前驅體氟化亞鐵與前驅體離子液體的摩爾比為(1-3):1。考慮到離子液體的分子量和體積比水分子的要大，鋅鐵基離子液體活性物質的濃度約為水介質鋅鐵液流電池活性物質濃度的3倍以上；也就是，本專利技術提供的鋅鐵基離子液體液流電池的能量密度可達到現有水介質鋅鐵液流電池能量密度的3倍以上。附圖說明圖1是本專利技術的鋅鐵基離子液體液流電池單體的結構示意圖。具體實施方式如圖1所示(圖中箭頭為電解液流向)，本專利技術主要由負極、負極電解液、正極、正極電解液和離子交換膜(隔膜)組成的多節電池單體聯成的電堆，負極電解液置于負極儲液罐中，由泵來進行負極電解液的輸送，正極電解液置于正極儲液罐中，由泵來進行正極電解液的輸送。電堆中的負極室用電解液導管與負極儲液罐、負極電解液輸送泵連成回路，負極電解液在該回路中循環流動。電堆中的正極室通過電解液導管與正極儲液罐、正極電解液輸送泵連成回路，正極電解液在該回路中循環流動。所述負極電解液為鋅基離子液體，正極電解液為鐵基離子液體。所述負極電解液的鋅基離子液體，選用前驅體氟化鋅溶解在前驅體1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽離子液體中得到。所述正極電解液的鐵基離子液體，選用前驅體氟化亞鐵溶解在前驅體1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽離子液體中得到。電池單體的正、負極可選用碳氈、石墨氈、石墨板、石墨紙或碳布等惰性材料。離子交換膜把電池單體分隔為正極室和負極室兩部分，正極在正極室中，負極在負極室中。所述離子交換膜選用陰離子交換膜。本專利技術在充放電過程中，正負極電解液分別由正負極電解液輸送泵不斷泵入電池單體中，電解液的流動加速了電極界面中的物質傳遞過程，有利于降低電極反應中的電化學和濃差極化。電池的額定功率取決于電堆的大小，容量大小取決于電解液。本專利技術充放電時，負、正極儲液罐中的負、正極電解液在電解液輸送泵的推動下，通過電解液導管進入負、正極室中進行電極反應，而后再流回負、正極儲液罐中。實施例1：陰離子交換膜將電池的正負極室隔開；以碳氈做正、負極，二者的表觀面積均為20cm2。負極電解液為100克1-甲基,3-丙基咪唑鋅氟三氟乙酸鹽離子液體(n＝1)+5％NaF溶液，正極電解液為200克1-甲基,3-丙基咪唑鐵氟三氟乙酸鹽離子液體(n＝1)+5％NaF溶液。充放電電流為200mA，電解液流速為5mL/min。電池的能量密度為106Wh/L，是水介質鋅鐵液流電池能量密度(35Wh/L)的3.03倍。實施例2：陰離子交換膜將電池的正負極室隔開；以碳氈做正、負極，二者的表觀面積均為20cm2。負極電解液為100克1-甲基,3-丙基咪唑鋅氟三氟乙酸鹽離子液體(n＝2)+0.5％NaF溶液，正極電解液為200克1-甲基,3-丙基咪唑鐵氟三氟乙酸鹽離子液體(n＝2)+10％NaF溶液。充放電電流為200mA，電解液流速為5mL本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高能量密度鋅鐵基離子液體液流電池，包括正負極和正負極電解液，其特征是：所述的負極電解液為鋅基離子液體，正極電解液為鐵基離子液體；所述的負極電解液的鋅基離子液體，選用氟化鋅溶解在1,3?二烷基咪唑三氟乙酸鹽中配成鋅基離子液體，其結構式如下：其中n＝1?3，鋅基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質；所述的正極電解液的鐵基離子液體，選用氟化亞鐵溶解在1,3?二烷基咪唑三氟乙酸鹽中配成鐵基離子液體，其結構式如下：其中n＝1?3，鐵基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質；正負極電解液中均含有質量百分比為0.5％—10％的氟化鈉。

【技術特征摘要】
1.一種高能量密度鋅鐵基離子液體液流電池，包括正負極和正負極電解液，其特征是：
所述的負極電解液為鋅基離子液體，正極電解液為鐵基離子液體；
所述的負極電解液的鋅基離子液體，選用氟化鋅溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽中
配成鋅基離子液體，其結構式如下：
其中n＝1-3，鋅基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質；
所述的正極電解液的鐵基離子液體，選用氟化亞鐵溶解在1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽
中配成鐵基離子液體，其結構式如下：
其中n＝1-3，鐵基離子液體是單一物質，不是混合物，它既是溶劑又是活性物質；
正負極電解液中均含有質量百分比為0.5％—10％的氟化鈉。
2.根據權利要求1所述的一種高能量密度鋅鐵基離子液體液流電池，其特征是：正負極
反應如下：
負極反應：
正極反應：
3.根據權利要求1所述的一種高能量密度鋅鐵基離子液體液流電池，其特征是：所述的
負極電解液的鋅基離子液體，選用前驅體氟化鋅溶解在前驅體1,3-二烷基咪唑三氟乙酸鹽
離子液體中得到，前驅體氟化鋅與前驅體離子液體的摩爾比為(1-3):1；
所述正極電解液的鐵...

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝志鵬，楊斌，楊亮，黃瑞宇，
申請(專利權)人：江西理工大學，
類型：發明
國別省市：江西;36