[发明专利]一种铁铅单液流电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铁铅单液流电池及其制备方法，所述电池包括铁铅单液流电池结构，该铁铅单液流电池结构包括依次设置的负极材料层、离子选择性透过膜和正极材料层；所述负极材料层中填充负极电解液，所述正极材料层中填充正极电解液，且正极电解液在正极材料层中循环流动。本发明首次通过将全固态铅负极和可溶性铁盐正极组合成单液流电池，有效避免了铅晶枝的生成，并且明显提升了电池性能。

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，尤其涉及一种铁铅单液流电池及其制备方法。

背景技术

随着环境问题、能源问题的日益突出，清洁可再生能源的需求日益增加。电池作为新能源利用中的储能技术之一，越来越受到关注。其中，液流电池是一种新型的电池技术，与现有电池如铅酸电池和锂电池相比，具有寿命长、安全环保、容量和功率独立设计、可深度充放电等优势，尤其适合大规模储能。在现有的液流电池技术中，以全钒液流电池为典型代表，其性能指标已经满足应用的要求。然而全钒液流电池由于利用钒元素作为储能活性物质，正极采用四价钒离子和五价钒离子的溶液作为储能物质，负极采用三价钒和二价钒离子的溶液作为储能物质。由于钒资源储量不够丰富和开产制造成本高使得全钒液流电池的成本高居不下，这已经成为其大规模应用所面临的瓶颈问题。为了解决成本问题，科学家和工程师开始关注利用廉价的金属元素作为储能物质，比如全铁液流电池和全铅液流电池(Journal of the Electrochemical Society,1987,134(12):3083-9)。全铁液流电池负极采用金属铁和二价铁离子溶液作为储能物质，正极采用二价铁离子和三价铁离子的溶液作为储能物质。然而全铁液流电池的负极在充电过程中会产生大量析氢反应，导致充放电反应不可逆、能量转换效率低等问题，一直阻碍着全铁液流电池的实际应用(Journal of TheElectrochemical Society,2014,161(10):A1662-A71)。全铅液流电池采用铅作为储能物质，在该电池中二价可溶性铅盐(如甲磺酸铅)在负极发生与金属铅之间的氧化还原反应、在正极二价可溶性铅盐被氧化成过氧化铅。虽然全铅液流电池可以采用廉价的铅作为储能元素，但是全铅液流电池目前存在两个技术问题，导致其不能实现实际应用：1)负极枝晶问题。负极的还原反应是可溶性的二价铅盐溶液被还原到金属铅单质，在还原过程中金属铅会朝着正极方向生成枝晶，导致内部电池短路。2)正极过氧化铅脱落的问题。正极产生的过氧化铅容易从电极上脱落，严重影响电池的性能(Journal of Energy Storage 15(2018)69–90)。传统的铅酸电池，正负极都以在电解液中不溶的固态含铅物质作为活性物质。负极为硫酸铅和铅的氧化还原反应，正极是硫酸铅和过氧化铅的氧化还原反应。但是，铅酸电池一个共性的问题是充放电过程中，负极产生不可逆的硫酸铅晶体而导致容量明显下降，循环寿命比较短，不能满足大规模储能的寿命要求。另外，铅酸电池的充放电倍率较低，通常长时间充放电倍率小于0.2C。只有赵等人提出了铁铅液流电池的概念(Journal of PowerSources 346(2017)97-102)：负极利用可溶性的二价铅盐溶液与金属铅之间的氧化还原反应，正极利用可溶性的二价铁盐和三价铁盐作为储能物质，这种电池存在两个问题：1)由于负极是可溶性铅盐溶液中还原生成金属铅，目前技术不可避免铅枝晶的生成，存在内部短路风险的问题；2)电池的理论电压只有0.9V，电压较低。因此，缺少实际应用的价值。

综上所述，传统的液流电池，包括全液流电池(活性储能物质在两个电极上循环流动)，单液流电池(活性储能物质在一个电极上循环流动)，目前都存在成本或者性能的问题，导致我们迫切需要开发一种成本低廉同时性能可以满足储能要求的大规模储能电池，以满足我们对清洁可再生能源利用的需求。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种铁铅单液流电池及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种铁铅单液流电池结构，包括依次设置的负极材料层、离子选择性透过膜和正极材料层；所述负极材料层中填充负极电解液，所述正极材料层中填充正极电解液，且正极电解液在正极材料层中循环流动；