[发明专利]全钒液流电池电解液

说明书

技术领域

本发明属于全钒液流电池领域，特别涉及全钒液流电池电解液。

背景技术

全钒液流电池通过不同价态的钒电解液自下而上通过电极循环流动进行电化学反应，从而实现化学能和电能的相互转换。全钒液流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效充电燃料电池，具有功率大、能量大、效率高、成本低、寿命长、无污染等优点，在光伏发电、风力发电、分布电站、电网调峰、通讯基站、UPS/EPS电源、交通市政、军用蓄电等广阔领域具有良好应用前景，即将为人类带来前所未有、意义重大深远的新能源产业革命！

全钒液流电池由电堆、钒电解液储罐、循环泵、管路、充放电等模块组成。电堆由单片电池串联组成。单片电池由离子交换膜、电极、导电板、液流框板、密封圈构成。电极由石墨毡构成，装在液流框板内，位于离子交换膜和导电板之间。液流框板的下部、上部分别设有钒电解液进液、出液支路流道。

全钒液流电池的电化学反应、标准电极电位和标准电动势如下：

负极：V²⁺—_e=V³⁺                    E₀=-0.25V

正极：VO₂⁺+2H⁺+e=VO²⁺+H₂O           E₀=1.00V

电池：V²⁺+VO₂⁺+2H⁺=V³⁺+VO²⁺+H₂O     E₀=1.25V

全钒液流电池的正、负极电解液通常分别为VOSO₄、V₂(SO₄)₃的硫酸溶液，其中V、S元素的摩尔比为1∶2.5～3。由于在温度高于40℃时，充电后的正极电解液容易水解析出V₂O₅沉淀（2VO₂⁺H₂O=V₂O₅+2H⁺）；在温度低于10℃时，放电后的负极电解液容易饱和析出V₂(SO₄)₃结晶，导致通常全钒液流电池电解液的工作温度范围窄（10～40℃），需要配备复杂昂贵耗能的电解液温控装置，大大地限制了全钒液流电池的推广应用。虽然近十年来人们对全钒液流电池正、负极电解液的高、低温稳定性作了大量研究，对正、负极电解液也提出了不少高、低温稳定添加剂配方，但是迄今还没有一个添加剂配方能同时有效地提高正极电解液的高温稳定性和负极电解液的低温稳定性。考虑到在全钒液流电池中存在钒离子从负极电解液通过离子交换膜向正极电解液净迁移，全钒液流电池的容量随充放电循环次数的增加而逐渐下降，通常需要定期混合正、负极电解液以恢复电池的容量，因而要求正、负极电解液的高、低温稳定添加剂配方应相同。

最近Liyu Li等人在Advanced Energy Materials，2011，1，394-400提出分别使用VOSO₄、V₂(SO₄)₃的硫酸和盐酸的混合溶液作全钒液流电池的正、负极电解液，其中V、S、Cl元素的摩尔比为1∶1∶2～2.4，将全钒液流电池电解液工作温度范围从10～40℃拓展到-5～50℃。但由于在该电解液中V、S元素的摩尔比为1∶1，需要使用昂贵的VOSO₄而不是通常便宜的V₂O₅来作电解液的原料，因为如果要用0.5V₂O₅+1H₂SO₄+还原剂加热还原的方法来制备VOSO₄，则因反应后期H⁺的浓度太低，反应速度太慢而使反应无法进行完全；如果为了提高H⁺浓度而将HCl提前加入，则因还原反应需要加热，HCl将大量挥发，与CO₂、N₂、O₂等还原剂的氧化产物一起排放到空气中，不仅电解液组成难以保证，而且严重污染环境。

发明内容