[發明專利]一種基于PCET反應的電池及儲能方法

在審

• 申請號: 202010462400.X
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN113745620A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 王昱飛
• 申請（專利權）人: 王昱飛
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

本發明公開了一種基于PCET反應的電池，包括正極區、負極區以及隔開正極區和負極區的陽離子交換膜，所述正極區包括正電極、第一鹽溶液、溶解有化合物Q和QH的有機溶劑，所述負極區包括負電極、第二鹽溶液、溶解有化合物Q和QH的有機溶劑；所述有機溶劑與第一鹽溶液和第二鹽溶液互不相溶，所述第一鹽溶液的pH≤第二鹽溶液的pH；所述化合物Q和QH為能夠發生PCET反應的化合物，Q為其氧化態，QH為其還原態。其成本較低，提升儲能效率、穩定性及安全性。本發明還公開了一種基于PCET反應的儲能方法，采用上述電池進行儲能。

技術領域

本發明涉及電化學儲能技術，具體涉及基于PCET反應的電池及儲能方法。

背景技術

過去二十年里，全球新能源發展迅猛，風電裝機從7.6GW增長到469GW，光伏裝機從0.23GW增長到301GW，分別增長了60倍和1284倍，預計到2040年，風電和太陽能將占全球裝機總容量的48％，太陽能和風電將主宰未來電力系統。然而，風電、光伏等新能源發電的波動性、不連續性、不穩定性對電網安全和穩定運行造成了巨大隱患，同時可再生能源集中開發地區自身消納能力有限，一些地區已經出現了非常嚴重的棄風棄光現象，如2016年，中國棄光、棄風、棄水總電量超過了1000億度。

儲能裝置具有對功率和能量的時間遷移能力，對建立安全、經濟、清潔的現代能源供應體系意義重大。美國能源部前部長、諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文曾說過：將儲能技術與太陽能技術相結合，其在配電和發電領域的影響或可與當年互聯網所造成的顛覆性沖擊相媲美。由此可見儲能技術對于未來電力和能源系統的重要意義。

搶占能源轉型變革先機，開發儲能技術科學意義重大，且具有廣闊的市場應用前景。與物理儲能相比，如：蓄水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，電化學儲能載體是各種二次電池，主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池、氫氣燃料電池、液流電池等。電化學儲能技術受地理條件限制較小，能量轉化效率高，同時可以在極短的時間內(100ms)跟蹤電網頻率和負荷波動，功率爬升速率極快，電能與頻率幾乎完全同步，不僅適用于大規模儲能電站，還適用于分布式儲能，更具前景優勢。

然而在目前所知的電化學儲能技術中，鋰電池應用在大容量電池系統中容易出現安全性問題，如果掌握不好功率平衡，很容易發生起火、爆炸等安全事故。燃料電池放電時需以氫氣為原料，然而即便將氫氣壓縮至70Mpa進行儲存，氫氣質量仍只占總質量的2～6％，儲氫困難是燃料電池大規模應用面臨的難題。例如釩電池等液流電池將電能儲存在溶液中，儲運都非常方便，但是其能量密度較低(50Wh/kg)，不適合用作微小型儲能系統。同時，液流電池主要是基于元素價態變化進行儲能和放電，對元素性質要求較高，必須采用昂貴的電解液和電池膜組件才能實現儲能需求，大幅增加了儲能成本。

在太陽能和風能為代表的新型清潔能源被大力開發的背景下，現有的這些儲能技術若無法進一步取得創新突破，都難以成為未來的主流路線，迫切需要開發新型的電化學儲能技術。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于PCET反應的電池及儲能方法，其成本較低，提升儲能效率、穩定性及安全性。

本發明所述的基于PCET反應的電池，包括正極區、負極區以及隔開正極區和負極區的陽離子交換膜，所述正極區包括正電極、第一鹽溶液、溶解有化合物Q和QH的有機溶劑，所述負極區包括負電極、第二鹽溶液、溶解有化合物Q和QH的有機溶劑；所述有機溶劑與第一鹽溶液和第二鹽溶液互不相溶，所述第一鹽溶液的pH≤第二鹽溶液的pH；所述化合物Q和QH為能夠發生PCET反應的化合物，Q為其氧化態，QH為其還原態。需要說明的是，所述電池還包括通過循環泵與正極區或負極區連通的正、負極電解液儲罐、溶解有化合物Q的有機溶液儲罐和溶解有化合物QH的有機溶液儲罐，這些儲罐均為現有儲能電池的常規結構，本發明不再進行贅述。

所述PCET反應為質子耦合電子轉移，具體反應化學式如下：