[发明专利]全钒液流电池电解液及其制备方法、以及全钒液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种全钒液流电池电解液及其制备方法、以及包括该电解液的全钒液流电池。

背景技术

全钒液流电池具有能量转换效率高、使用寿命长、容量可根据用户要求调节、高安全性和环境友好等优点而成为风能、太阳能等可再生能源和电能削峰、填谷等规模化储能最有发展前景的方法之一。

与其他化学电源不同，全钒液流电池的电活性物质在电池的充放电过程中以溶解在电解液中的离子或离子缔合物形式存在，正负极活性物质分别储存在两个储液罐中，在运行过程中通过外力推动电解液分别从正极半电池和负极半电池流过，可实现容量和功率分别控制。电解液是全钒液流储能系统的核心。在液流电池体系中，电解液是电荷以离子形式或离子缔合物在两电极间传递的介质，活性物质钒以五价钒即V(V)、四价钒即V(IV)、三价钒即V(III)、以及二价钒即V(II)等四种价态存在于其中，电池通过含钒的离子中钒价态的变化进行能量储存与释放。在储能系统中，电解液浓度的高低决定全钒液流电池单位体积(或质量)储存能量的多少，电解液的组成和性能决定液流储能系统倍率放电特性、电压效率和能量效率等。

据M.Kazacos、M.Cheng和Skyllas-Kazacos的研究表明，稳定运行的全钒液流电池的电解液为总钒浓度为1.5～2.0mol/L的2.0～4.0mol/L的硫酸溶液体系。但是有研究表明：总钒浓度为3mol/L的五价钒在高酸浓度和大于40℃的温度也能够稳定存在，所以提高电解液的浓度也是有可能的。全钒液流电池电解液的合成主要有以下两种方法：化学合成法和电解法。化学合成法主要是将五氧化二钒还原为易溶解的四价钒的离子，制备的电解液的浓度低，一般在1mol/L以下，还原剂的引入会带入难处理的杂质(还原剂是三氧化二钒的除外)，这会直接影响电解液的进一步处理。使用电解法能够制备高浓度的电解液，但是耗能高，成本高，速率慢。因此，如何寻找一种高浓度，钒价态可控，成本低，电化学活性好，操作简单方便的电解液制备方法，是全钒液流电池发展的瓶颈之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种全钒液流电池电解液及其制备方法、以及包括该电解液的全钒液流电池。本发明能够在不引入杂质的情况下，提供了一种操作简单方便、成本低的全钒液流电池电解液的制备方法。利用该全钒液流电池电解液制备方法可以直接得到全钒液流电池正极电解液和三价钒和四价钒各占50％的混合价态的电解液，从而能够获得高活性、高浓度、以及钒价态可控的全钒液流电池电解液。

根据本发明的一个方面，提供了一种全钒液流电池电解液以及包括该电解液的全钒液流电池，该全钒液流电池电解液包括含钒的离子和硫酸根离子，其中，所述含钒的离子中的总钒浓度为2.0～6.0mol/L，并且所述硫酸根离子的浓度为1.0～8.0mol/L。所述含钒的离子为VO₂⁺、VO₃^-、V₂O₃⁴⁺、V₂O₄²⁺、VO²⁺、V³⁺、以及V²⁺。

根据本发明的另一个方面，提供了一种全钒液流电池电解液的制备方法，包括以下步骤：向一种或多种钒化合物中加入去离子水，进行搅拌直到均匀，其中所述钒化合物的质量与所述去离子水的体积之比为0.2～2.0(g/ml)；加入与所述去离子水的质量比为0.1～10.0的98％浓硫酸进行充分搅拌，获得包括所述钒化合物、去离子水、以及硫酸的混合物；将所述混合物放入一种气氛的炉子中在100.0～400.0℃的温度下加热30～480min获得钒的焙烧产物；将所述钒的焙烧产物研碎；以及向研碎的钒的焙烧产物中加入1.0～8.0mol/L的硫酸溶液，其中所述钒化合物的质量与所述硫酸溶液的体积之比为0.5～2.0(g/ml)，使钒的焙烧产物溶解以获得总钒浓度为2.0～6.0mol/L和硫酸根离子浓度为1.0～8.0mol/L的全钒液流电池电解液。

所述一种钒化合物为五氧化二钒、或三氧化二钒，而所述多种钒化合物为五氧化二钒与三氧化二钒的混合物、或五氧化二钒与偏钒酸铵的混合物。所述钒化合物的粒径为小于等于100目。

所述气氛为选自由空气、氮气、氩气、二氧化硫、硫化氢、以及二氧化碳组成的组中的至少一种。