[發明專利]一種兼有電化學制備的可再充金屬空氣液流電池

無效

• 申請號: 200810167775.2
• 申請日: 2008-10-07
• 公開（公告）號: CN101714680A
• 公開（公告）日: 2010-05-26
• 發明（設計）人: 文越華;潘軍青;程杰;孫艷之;曹高萍;萬平玉;楊裕生;王子鎬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63971部隊
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06
• 代理公司: 中國人民解放軍防化研究院專利服務中心 11046
• 代理人: 劉永盛;林英

技術領域

本發明涉及一種兼有電化學制備的可再充金屬空氣液流蓄電池，屬于電力工程和電化學儲能領域。可廣泛應用于電能儲蓄、電網調峰、以及電化學合成等領域。

背景技術

當前我國能源供應日趨緊張，特別是電力供應的形勢不容樂觀。造成用電緊張的主要原因是經濟的快速增長，增長最多的是工業。我國現有工業中，電解鋁、氯堿、鋼鐵和有機電合成等高能耗行業已成為一次能源消耗大戶和污染排放大戶。能源危機和環境污染已成為我國進一步可持續發展所面臨的兩大難題。解決這兩大難題的重要舉措就是節能降耗及加強水能、風能、太陽能、潮汐能等可再生能源的開發和利用。為保證太陽能、風能等可再生能源發電系統的穩定供電，就必須開發高效、廉價、污染少和安全可靠的儲能技術，電網的調峰填谷、平衡負荷也迫切需要開發大規模儲能技術。縱觀各種不同類型的化學蓄電池，液流電池以其獨特的優勢而成為最適宜大規模儲能的蓄電池之一。

液流電池發展至今已有30多年歷史，各國研究者通過變換兩個氧化/還原電對，獲得了多種可用的液流電池體系。一般地，根據其儲能機理，液流電池體系可分為液相儲能和沉積型液流儲能兩類。相比之下，液相儲能電化學體系研究更為廣泛。液相儲能體系的活性物質存在于正/負極電解液中，中間須用離子交換膜分隔；以惰性導電材料為電極，充放電反應發生在電極與電解液的界面上，電極無其它電池常有的固相變化及形貌改變，因而容易保證電堆的一致性、均勻性和循環壽命。液相儲能電化學體系有早期的Cr/Fe和Ti/Fe體系，近些年又有釩/鈰、全鉻、全鈾等新體系及第二代全釩(溴化釩)體系的報道。然而到目前為止，較為成熟的只有多硫化鈉/溴和全釩(硫酸釩)體系，尤其是全釩體系在日本、加拿大、澳大利亞已開始了初步的商品化進程。但是近幾年來隨著釩價節節攀升，全釩液流電池成本日益增高，給其推廣應用帶來了很大的難度。

沉積型液流儲能新體系，是指在充(放)電過程中至少有一個電對的充(放)電產物沉積在(或原本在)電極上。例如，較早的國外已有的鋅-溴電池，充電時鋅沉積在負極表面上，而正極上產生的溴分子留在液相中。最近英國南安普敦大學Pletcher課題組基于鉛酸二次電池的概念，提出一種新的液流電池體系。該體系采用酸性甲基磺酸鉛(II)溶液，充電時溶液中的二價鉛在負極上沉積成金屬鉛，正極上沉積成二氧化鉛，放電時正負極反應同時形成可溶的二價鉛。最近，本研究組也報道了堿性單流體電池，利用鋅和氧化鎳在堿性KOH溶液中的電沉積過程，實現電能的蓄電過程。由于沉積型液流電池的正負極使用同一種液體，避免了液相儲能液流電池的交叉污染和昂貴的離子交換膜的使用，日益引起研究者新的興趣，具有較大的實用性。

金屬空氣電池的陽極材料可以是鈣、鎂、鐵、鋁、鋅、鋰等多種金屬，其中研究較多的是鋅和鋁，鋅空電池是研究最早和最先商品化的金屬空氣電池，鋁空氣電池近年也成為研究熱點。然而，現已商品化應用的鋅空電池大多為小型扣式和大型方型一次電池，使用完后不能再充電。20世紀60～70年代以后，為將鋅空氣電池用于電動汽車，各國投入了大量的人力、物力來研制可再充鋅空氣電池。

在以電解鋁、氯堿工業、電解二氧化錳和尼龍等為代表的無機或有機電化學工業中，原料通過在電極上電子的得或失過程，實現反應物的氧化或還原而獲得產品，電子或質子的轉移代替傳統化學合成中大量使用的氧化劑和還原劑，加上電極反應界面的設計，實現了電催化于一體的原子經濟反應。它的反應條件溫和、污染少(甚至無污染)、產物收率和純度高、工藝流程短，是一種“綠色環保”高附加值的合成技術。因此，近年來有機電合成工業得以迅速發展。遺憾的是，通常的電合成一般只在一個電極上得到產物，輔助電極上的電量以副反應的形式消耗掉，造成電能上很大的浪費。雖有特定的反應可在正負極同時合成兩種產物，但也存在槽壓高、副反應嚴重和陰陽極之間相互交叉污染等等各種問題。有關資料統計顯示，電能的消耗已經占到電合成工業總成本的50-70％，已經成為電化學工業進一步發展的瓶頸。在當前電力能源日趨緊張的今天，如何降低用電大戶之一的電合成工業的電力消耗，提高電能利用率，不僅是我國節能減排的重大科技任務，也是電合成行業自身降低成本，提高競爭力的關鍵。可再充電池尤其是液流電池的充電過程在實質上可以看成是電合成過程，是低價陰極產物和高價陽極產物的電解合成過程。例如常見的鉛酸電池的充電過程就是在陰極和陽極上分別生成金屬鉛和二氧化鉛，從而實現蓄電的過程。如何在電合成消耗電能的過程中，利用另一電極的副反應，同時實現電能的蓄能過程，是很有意義的工作。

發明內容