[发明专利]一种水溶性有机电对液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种水溶性有机电对液流电池的原理和制备，属于化工领域，可广泛应用于非并网可再生能源发电，厂矿、楼宇、边远地区等规模储能，及电网的削峰填谷。

背景技术

液流电池由燃料电池发展而来，自1974年提出概念开始，由于其诸多的特有性能而引起广泛关注。与通常蓄电池的固态活性物质包含在阳极和阴极内不同，液流电池中作为活性物质的高、低电位两个氧化-还原电对，两个或其中之一溶解于装在储液罐中的溶液中，由泵推动使溶液流经电池，在惰性电极上发生氧化和还原反应。液流电池的核心是进行氧化-还原反应实现充、放电过程的单电池。单电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。因此，液流电池具有容量与功率可分开独立设计、寿命长、成本低等特点，从安全性、储能效率和性/价比等方面考虑，液流电池应是最适于大规模蓄电的储能体系，其用于规模储能的前景非常广阔。

发展至今，研究者通过变换正/负极氧化还原电对，获得了多种可用的液流电池体系。从早期研究的钛/铁液流电池，到目前开始步入商业化示范运行的全钒和锌/溴液流电池，基本上都是通过无机电对之间的组配，构成了各具特点的液流储能电化学体系。无机电对的原料受矿藏资源的限制，如最具商业化应用前景的全钒液流电池，其商业化进程就受到钒价攀升的影响。

许多有机物具有较好的氧化还原可逆性能，如醌类有机物、苯胺类有机物等。有机电对一般由C、H、O、N、P、S等常见元素组成，不受矿藏资源的限制；且有机物的分子结构可设计，其电极电位和反应电子数可调控。但迄今为止，在化学储能方面，未见有机电对的应用。在液流电池方面，有机物曾作为配体，对无机活性电对进行修饰改性，尚未见直接采用水溶性有机电对作为液流电池活性物质的报道。

发明内容

本发明提出一种水溶性有机电对液流电池，结合水溶性有机电对与液流蓄电的特点，将水溶性有机电对用作液流电池其中一极的活性物质，另一极活性物质采用无机电对或有机电对，正极电解液和负极电解液间加装隔膜，组成液流电池。液流电池以有机电对为一个电极或两电极活性物质，克服传统的液流电池采用无机电对受限于矿藏资源的缺点，使其具有原料丰富、制备方便、电能转化效率高、环保、使用安全等特点。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种水溶性有机电对液流电池，由正极、正极电解液储罐、隔膜、负极和负极电解液储罐构成。正极和负极之间用隔膜分开，正极电解液储罐通过正极输送管线与正极室连通，负极电解液储罐通过负极输送管线与负极室连通；正极和负极其中之一的活性物质为水溶性有机电对，另一极活性物质为无机电对或者有机电对；正极电解液和负极电解液分别存储在外设的正极储罐和负极储罐内，分别通过正极输液泵和负极输液泵推动循环流过正极室和负极室，在由隔膜分隔的正极和负极上发生氧化/还原反应，进行充电或放电过程。

所述的水溶性有机电对是含氧官能团有机物及其衍生物、含硫官能团有机物及其衍生物、含氮官能团有机物及其衍生物或金属有机化合物及其衍生物；含氧官能团有机物及其衍生物为酚醌类、醛酮类或含氧杂环化合物，含硫官能团有机物及其衍生物为二硫类、硫醚类或含硫杂环化合物，含氮官能团有机物及其衍生物为硝基类、氨基类或含氮杂环化合物，金属有机化合物及其衍生物为二茂铁或二茂镍。

作为电池活性物质的无机电对为水溶性无机电对、溶解/沉积型无机电对或者含在固体电极中的无机电对，可由下列一种或者一种以上的金属变价构成：Co、Pb、Ce、Mn、Cd、Hg、Zn、Fe、Cu、Ag、Sn、Sb、V、Ni、Cr、In。

电池的正极电解液和负极电解液为酸性或中性水溶液，该电解液中的电解质包含以下的一种或一种以上：H₂SO₄、HCl、H₃PO₄、HNO₃、CH₃COOH、甲基磺酸、四氟硼酸、NH₄Cl、NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄、(NH₄)₂SO₄。电池的正极电解液和负极电解液可以是碱性水溶液，该电解液中的电解质包含以下的一种或一种以上：Ba(OH)₂、NaOH、KOH、LiOH、NH₄OH、Na₂CO₃、K₂CO₃、三乙醇胺。