[发明专利]钒电池电解液

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池，具体涉及钒电池电解液。 

背景技术

全钒氧化还原液流电池拥有能量转换效率高、容量可调节、使用寿命长、高安全性和环境友好等优点，主要用于太阳能、风能等可再生能源的发电系统配套储能设备、电网的调峰填谷装置和不间断电源和应急电源系统。 

在钒电池中，电池能量是以电解液形式储存的，它是由钒离子和硫酸组成，正极是由VO²⁺/VO²⁺氧化还原电对组成，负极是由V³⁺/V²⁺组氧化还原电对组成。提高电解液的浓度是提高电池的比能量的有效途径。但是由于钒有空余的d轨道，不仅易与配位体结合，钒原子之间也极易缔合。浓度越大，缔合度越大。复杂离子参加电化学反应，相应的反应能垒增加，导致极化增大，反应速度慢。并且浓度的提高必然会增大电解液的电阻、粘度等。同时，五价钒离子溶解度不大，高浓度的正极溶液在接近全充电态时，会析出红色多钒酸盐沉淀，可能会堵塞多孔电极表面，导致电池无法使用。研究还表明三价和二价钒离子在低温下也容易沉淀，这说明负极电解液的稳定性也存在问题。 

目前增大钒溶液的稳定性的方法主要包括提高溶液酸度和加入添加剂两种。溶液酸度过高会加快对电池部件的腐蚀，提高对材料的要求。而对负极电解液而言，由于同离子效应的缘故，酸度增加反而会降低低价钒离子的溶解度。因此，向电解液引入添加剂的方案已经被广泛地研究。 

已有报导向电解液中添加无机盐或有机物等来提高其稳定性或活性，例如CN1507103A公开一种高稳定性的电解液，是向硫酸氧钒的硫酸溶液中添加碱金属盐、含羟基物质或表面活性剂中至少一种，由于添加剂组合之间的协调作用，有效抑制五价钒的沉淀和二价钒的氧化，提高了电解液的稳定性。CN1598063A公开一种在硫酸氧钒溶液中加入Na₂SO₄、乳化剂OP等添加剂的方法来提高其稳定性。Na₂SO₄过量加入后，由于同离子效应，会促使钒离子的析出。而乳化剂OP在强氧化条件下容易被氧化而失去作用，从而降低其稳定性。CN1719655A公开了一种以硫酸、水合乙醇作为支持电解液，并向电解液中添加硫酸钠、焦磷酸钠、氟硅酸钠或双氧水作等稳定剂的方法，来提高电解液稳定性。分析可知，虽然乙醇可降低溶液粘度，提高溶液的稳定性和导电 能力，但在充放电过程中，乙醇容易被高价态钒氧化，使电池的效率降低，因而此方法有待进一步的改进。CN1507103公开了一种向钒电解液中添加醇类、有机酸和无机酸、盐类或高分子化合物等稳定剂，据称可使钒离子在高浓度下稳定，但是该没有提供使用效果方面的数据。可以预见，其中的有机物也有被V5+氧化、产生CO2、导致正负极压力不平衡、以及电导率下降、电解液粘度增大的问题，其中的无机金属盐会引起溶液中钒氧水合离子的去水化作用，不利于钒溶解的问题。 

因此，现有技术依然需要探索更有效的方法来提高钒电池电解液的稳定性。 

发明内容

本发明的目的是提出一种新的钒电池电解液，以提高钒离子的稳定性。 

本发明的另外的目的是提高钒电池电解液的电导率和钒离子的活性。 

本发明的钒电池电解液中引入了离子液体作为添加剂。该离子液体使得电解液中的钒离子不易析出，提高了电解液的电导率和钒离子的氧化还原的可逆性，从而降低电化学极化，另外也提高电池容量和能量效率。 

在具体实施方式中，本发明的电解液主要由钒离子、硫酸和离子液体组成。 

进一步地，其中的钒离子的浓度为2-3M。 

进一步地，硫酸的浓度为3.0-5.0M。 

在具体实施方式中，离子液体的添加量以质量计为电解液的0.1-3.0%。 

构成所述离子液体的阳离子可以自季铵阳离子、季鏻阳离子、咪唑阳离子、吡啶阳离子、胍类阳离子、胆碱型阳离子、吡咯烷啉阳离子、三唑阳离子、吡唑阳离子、噻唑阳离子，构成所述离子液体的阴离子选自四氟硼酸阴离子、六氟硼酸阴离子、乙酸阴离子、三氟乙酸阴离子、乙基硫酸酯阴离子、硫酸单甲酯阴离子、甲基磺酸阴离子、三氟甲基磺酸阴离子、三氟甲基硫酰胺阴离子、五氟乙基硫酰胺阴离子、三氟乙酰三氟甲磺酰胺阴离子。