[发明专利]一种高容量保持率的全钒液流电池电解液的设计方法及应用

说明书

本发明涉及电化学储能领域，具体公开一种高容量保持率的全钒液流电池电解液的设计方法及应用。针对全钒液流电池在长循环过程中容量快速衰减的问题，通过提升电解液的平均价态，使得正极液在首次充电过程中产生过量的VO₂⁺，避免了因V²⁺扩散到正极对VO₂⁺进行消耗导致的正极可利用的VO₂⁺的不足，同时降低了负极液中不可利用的V²⁺的累积，大幅提升了全钒液流电池容量的保持率。在未经优化的情况下，与传统电解液相比，本发明设计的价态非平衡电解液(V³_.⁶⁸⁺)在400圈循环后相应的累积容量提升了52.33％。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体涉及一种高容量保持率的全钒液流电池电解液的设计方法及应用。

背景技术

近年来，为应对全球变暖，各国政府及各行各业纷纷提出节能减排、降低CO₂排放的目标，中国作为能源消耗大国更是提出到2030年前要实现碳达峰。在此背景下，以风能和太阳能为代表的可再生能源发电的项目雨后春笋般不断增加。然而，风能、太阳能等受天气影响较大，导致可再生能源发电很不稳定。为了避免对电网造成冲击，仅仅在中国每年弃置的风能和太阳能高达1000亿度。因此，建立安全、高效的储能系统，将太阳能和风能的弃电储存起来，成为高效提升可再生能源占比的关键。其中，全钒液流电池因其优异的安全性、超长的工作寿命和良好的电池性能在大型储能系统中展现出巨大的应用前景。目前，杜邦公司生产的Nafion系列质子交换膜具有良好的质子传导性和优异的稳定性，在全钒液流电池用离子交换膜中占据着绝对的主导地位。然而，由于不同价态的钒离子在Nafion膜内的扩散速度不同(V²⁺VO²⁺VO₂⁺V³⁺)，导致全钒液流电池在长循环过程中正极电解液体积逐渐增加，但含量逐渐降低。相反地，负极电解液体积逐渐降低，但不可利用的V²⁺的量逐渐累积，进而造成电池容量大幅降低。虽然上述由正负极电解液体积失衡导致的容量衰减可以通过混液的方式一定程度地解决，但是混液不仅需要使用额外的设备，消耗大量的人力物力，而且混液过程中必须停止电池的工作，这无疑增加了运维成本。此外，混液只能一定程度的恢复电解液的利用率，但无法抑制容量的衰减，而快速的容量衰减在循环充放电过程中又会进一步降低电解液的利用率，这无疑增加了钒电池的储能成本。

发明内容

本发明提供一种高容量保持率的全钒液流电池电解液的设计方法及应用，该方法效果显著，简单易控，可操作性强，便于推广和产业化。

本发明的技术方案是：

一种高容量保持率的全钒液流电池电解液的设计方法，针对全钒液流电池在长循环过程中正负极电解液浓度和价态严重失衡导致的容量大幅衰减问题，通过提升电解液的平均价态，使正极液在首次充电过程中产生过量的VO₂⁺，避免因V²⁺扩散到正极对VO₂⁺进行消耗导致的正极可利用的VO₂⁺的不足；同时降低负极液中不可利用的V²⁺的累积，进而减缓V²⁺通过隔膜向正极的迁移，使隔膜两侧活性物质的扩散和对流在充放电初期达到稳定状态，实现全钒液流电池较高的容量保持率。