[發明專利]一種酸性鋅單液流儲能電池

無效

• 申請號: 201110102060.0
• 申請日: 2011-04-22
• 公開（公告）號: CN102201590A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 潘軍青;賈旭;孫艷芝;程杰;楊裕生
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M8/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于儲能技術及其電化學工程領域，是一種可以用于風能發電和光伏發電并網時進行調峰和調頻的電能儲存裝置。

背景技術

隨著我國經濟和工業的持續高速發展，大量使用化石能源而造成的嚴重環境污染，促使人們越來越廣泛地開發和利用風能、太陽能、生物質能、海洋能等可再生能源。然而這些可再生能源，受天氣和時間段的影響較大，具有不穩定性，需要開發與之配套的電能儲存(儲能)裝置進行調峰和調頻，來保證電網中電力的品質不受并網的影響。此外，大規模的電能儲存技術可以實現電力工業中的“削峰填谷”，從而大幅度改善電力的供需矛盾，提高發電設備的利用率。在當前各類儲能技術中，液流電池由于設計靈活、全壽命成本最低、能適合各種儲能場合，因此它具有很強的競爭力和廣闊的應用前景。

液流電池，也就是氧化還原液流電池?(Redox?flow?cell?或?Redox?flow?systems)，它的概念最早源于?NASA?的Lewis?研究中心Thaller?L.H.在1974?年提出并且申請了Cr/Fe專利。當前的液流電池的正、負極活性物質主要存在于電解液中，分別裝在兩個儲液罐中，通過送液泵循環流過電池，電池內的正、負極電解液由離子交換膜隔開。這就決定了電池的額定功率和額定容量可獨立設計，電池的功率取決于單電池內電極板的面積和電堆的節數，電池容量則取決于儲液罐的容積和電解液的濃度，使其在大規模儲能方面有很大的優勢。電池的充、放電反應，實質是電解液中的活性物質離子在惰性電極表面發生價態的變化。對于液流電池來說，其最大的瓶頸是兩種電解液透過離子膜發生交叉污染和離子膜上的電壓損失。

目前技術比較成熟且應用范圍較廣的是全釩液流電池體系。雖然全釩電池正負極的活性物質均為釩離子（V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺和V²⁺），可以在很大程度上避免兩種電解液的交叉污染，但是仍存在不同價態的釩離子穿過離子交換膜發生自放電現象。另外離子交換膜的使用，不僅增加了儲能系統的成本，而且也降低了全釩電池的儲能效率，再加上兩套儲能系統及其泵，不僅增加了電池系統維護的復雜性，也大幅度提高了電池組的造價。

2004年英國南開普敦大學Pletcher課題組在傳統鉛酸蓄電池概念的基礎上，提出一種新的全沉積型鉛酸單液流電池。這個電池雖然儲能效率不高，但也是人們對單液流電池的一種嘗試。為了提高單液流電池的性能，一些新型的單液流電池相繼被報道，比如：堿性Zn/NiOOH和Zn/O₂單液流電池，酸性Cu-H₂SO₄-PbO₂和Cd-Chloranil電池。這些電池都避免使用價格昂貴的離子交換膜，簡化了電池的結構，降低了電池的建設成本，同時也避免了雙液流電池中常見的正負極電解液的交叉污染，降低了電池的維修成本。

我們在研究中發現，現有的單液流電池的缺點是電池單體的放電電壓較低，一般為1.1-1.3V，還需要克服來自充放電過程的極化和歐姆降等消耗，電池的整體能量效率一般只有55-75%。一般地，在充放電極化和內阻損耗一定的情況下，提高電池單體的放電電壓有利于提高電池的電壓利用率和電池能量效率。雖然在設計上可以采用一些活性較高的金屬做負極來提高電池電壓和電壓效率，但活潑性更高的金屬負極的應用面臨著更顯著的自放電效應所帶來的容量效率的損失，因此這就需要綜合平衡上述電壓效率和容量效率兩方面的因素來使電池整體上具有更高的能量效率。

鋅是一種常見的被用于堿性電池的負極金屬，例如堿性鋅錳、鋅空和鋅鎳電池。在酸性環境中，由于鋅的化學活潑性高，易于發生析氫溶解使其受到限制。但是現代酸性硫酸鋅溶液中進行鋅濕法冶金的成功，表明鋅電極在合適的工作條件下，仍有可能獲得良好的儲存性能。計算表明，酸性Zn/PbO₂電對的理論開路電動勢為2.447V，比Cu/PbO₂電對的理論開路電動勢1.344V高出82%，從而可以大幅度提高電池能量效率。它同時也如硬幣的兩面，鋅的高活潑性一方面帶來放電電壓的極大提升，但是另一方面也造成鋅負極易在酸性電解液中發生析氫自放電反應。如何克服鋅的自放電副反應，最大程度地提高鋅單液流電池的容量效率，成為人們研究的難點。

發明內容