[发明专利]全钒液流电池的电解液检测方法和检测装置

说明书

技术领域

本发明属于材料测量技术领域，特别是涉及一种基于光学吸收的全钒液流电池的电解液检测方法和检测装置。

背景技术

液流电池具有设计功率大、使用寿命长、无污染的特点，是大型储能系统的重要选择。其中，全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Flow battery, 简称VRB或 钒电池）是目前国内外关注最多的一种液流电池（J. Electrochem. Soc. 1986, 133:1057）。

钒电池中，正负极中的工作物质都是含有钒离子的电解液。充电过程中，正极的+4价钒离子转变为+5价钒离子，负极中的+3价钒离子转变为+2价钒离子。放电过程反之。钒电池中正负极电解液由一种特殊的质子渗透膜隔开。理想的质子渗透膜只让质子通过，而阻挡钒离子通过。理想情况下，全钒液流电池的正负极电解液的钒离子浓度保持不变，正负极电解液的价态改变量相同。

但是实际情况中：

（1）由于部分+2价钒离子被氧化和正负极电解液中副反应的存在，钒电池正负极电解液的价态改变并不完全相同，即电解液价态存在失衡。

（2）钒电池中使用的离子交换膜并不能完全杜绝钒离子的渗透，且不同渗透压会产生正负极电解液的体积变化。这都会导致正负极电解液的浓度改变，即电解液浓度存在失衡。

由于以上原因，钒电池在实际使用中，电解液的浓度和价态的失衡会随着充放电次数增多而变得严重，降低钒电池的充放电容量，严重影响钒电池的实际使用寿命。为了解决这一问题，需要能够即时检测钒电池电解液中各种价态的钒离子浓度的方法，掌握失衡程度，从而能够在钒电池状态不理想时对系统进行调整。

现有的钒电池电解液的价态和浓度的检测方法主要有开路电压法、电位滴定法、色谱法和分光光度计法。开路电压法能够测量平衡状态下钒电池的充放电状态，间接计算出电解液浓度，但是对失衡状态下的钒电池无能为力。电位滴定法和色谱法虽然能够测量出电解液中各价态钒离子浓度，但是其步骤较复杂，测量速度较慢，并不适合对钒电池电解液的实时在线检测。分光光度计法是快速测量离子浓度的很好选择，目前已经成功应用在铁铬液流电池中（一种使用Fe和Cr离子的氧化还原液流电池，中国发明专利200880004746.2，美国专利US 7855005）。但是，钒电池的电解液中钒离子浓度过高（一般达到2mol/L），吸收系数太大，而且不同价态的钒离子之间存在干扰，单一波长的吸收系数并不同离子浓度成线性关系。因此传统的基于单个波长吸收系数的分光光度计法，只能有局限地测量部分钒电池负极电解液浓度，而无法测量正极电解液（Journal of Power Sources 2011, 196: 8822–8827，WO9003666）。                                                                                                                                                                       

发明内容

为克服现有方案在钒电池的电解液浓度在线检测上的缺陷，本发明提出了一种新型的基于光学吸收测量各价钒离子浓度的检测方法及检测装置。

一种全钒液流电池的电解液检测方法，包括以下步骤：

（1）在设定的连续或离散的光波段照射下，测量多组已知配置参数的电解液样品的吸收或透射光谱，记录各组吸收或透射光谱，建立标准光谱数据库；

（2）在所述光波段内，测量待测电解液的吸收或透射光谱；

（3）将步骤（2）中测量的光谱同步骤（1）中测量的光谱进行比较分析，从标准光谱数据库找出与步骤（2）中测量的光谱最相近的光谱；

（4）将最相近的光谱对应的配置参数确定为步骤（2）中待测电解液的检测参数。

优选地,所述配置参数包括电解液中钒离子总浓度和/或各价钒离子比例/浓度，优选还包括电解液的酸度。

优选地,步骤（1）和步骤（2）中是针对在光传播路径上具有同样长度的电解液进行测量。

优选地,所述光波段是连续的，步骤（3）中所述比较分析包括根据吸收或透射光谱的曲线形状来判断是否相近；或者，所述光波段是离散的，步骤（3）中所述比较分析包括对比测量到的光谱的离散光谱数据来判断是否相近。