[發(fā)明專利]一種鐵-氫儲能電池及其應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010567222.7
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN113823821A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周小春;白闖
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M8/04186;H01M8/04082;H01M8/04089
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發(fā)明涉及一種鐵?氫儲能電池及其應(yīng)用，所述鐵?氫儲能電池包括鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和電池主體，所述鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)包含鐵離子溶液，所述鐵離子溶液用于為電池主體的正極供應(yīng)鐵離子，所述氫氣供應(yīng)系統(tǒng)用于為電池主體的負(fù)極供應(yīng)氫氣；本發(fā)明所述鐵?氫儲能電池在常溫下充電容量可達(dá)17.9Ah/L，放電容量可達(dá)17.1Ah/L，能量利用率可達(dá)83.6％，能量密度可達(dá)10.6Wh/L，庫倫效率可接近100％，能量效率可超過80％，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲能器件領(lǐng)域，涉及一種鐵-氫儲能電池及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

全鐵液流電池作為液流電池中不可或缺的一員，不用擔(dān)心電極兩側(cè)串流，且價(jià)格相對便宜；但即使如此，由于需要人為的制造電極反應(yīng)電勢差，它的正負(fù)極通常均需要使用不同的鐵配合物，增加了成本和不穩(wěn)定性。而部分配合物溶解度不高又會降低電池能量密度，如Li等發(fā)明的高性能全鐵液流電池容量為1.5Ah·L^-1(參見文獻(xiàn)：Journal of PowerSources,2020,445:227-331)，Yan等發(fā)明的全鐵液流電池容量接近5Ah·L^-1(參見文獻(xiàn)：ACSEnergy Letters,2016,1(1):89-93)。即使對于容量密度更高的全釩液流電池，Yan等研究的性能提升的全釩液流電池容量為7.5Ah·L^-1(參見文獻(xiàn)：Carbon,2019,155:176-185)，Joo等對全釩液流電池電極官能團(tuán)化處理后性能則為16Ah·L^-1(參見文獻(xiàn)：ElectrochimicaActa,2019,297:905-915)，這無疑限制了這一類電池的應(yīng)用前景。

與之相對的，質(zhì)子交換膜燃料電池能量密度高，且使用氫氣和氧氣這兩種清潔原料。但其由于能量轉(zhuǎn)化效率低不利于儲能應(yīng)用，而氧氣側(cè)因使用較大量的Pt或其他貴金屬催化劑增加了成本，在長時(shí)間運(yùn)行中無論是氣體的便攜存儲、質(zhì)子交換膜的失水還是氧氣側(cè)催化劑水淹等都會阻礙它的進(jìn)一步應(yīng)用。

因此，開發(fā)一種具有更高的充放電容量、能量密度和能量效率的新型儲能電池仍具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鐵-氫儲能電池及其應(yīng)用，所述鐵-氫儲能電池包括鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和電池主體，所述鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)包含鐵離子溶液，所述鐵離子溶液用于為電池主體的正極供應(yīng)鐵離子，所述氫氣供應(yīng)系統(tǒng)用于為電池主體的負(fù)極供應(yīng)氫氣；本發(fā)明所述鐵-氫儲能電池在常溫下充電容量可達(dá)17.9Ah/L，放電容量可達(dá)17.1Ah/L，能量利用率可達(dá)83.6％，能量密度可達(dá)10.6Wh/L，庫倫效率可接近100％，能量效率可超過80％，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為達(dá)到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供了一種鐵-氫儲能電池，所述鐵-氫儲能電池包括鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和電池主體，所述鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)包含鐵離子溶液，所述鐵離子溶液用于為電池主體的正極供應(yīng)鐵離子，所述氫氣供應(yīng)系統(tǒng)用于為電池主體的負(fù)極供應(yīng)氫氣。

本發(fā)明所述鐵-氫儲能電池包含鐵離子供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，其分別為電池主體提供鐵離子和氫氣，使得在電池主體內(nèi)構(gòu)建如下可逆電池反應(yīng)體系：

在Fe離子濃度為0.8M的條件下，其理論比容量如下：

理論比容量C＝Q/V＝(0.8×96500×1)/3600＝21.4Ah/L；

采用本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)的鐵-氫儲能電池，其在常溫下充電容量可達(dá)17.9Ah/L，因而其能量利用率可達(dá)83.6％。

能量利用率指實(shí)際充放電容量與理論充放電容量之比。

同時(shí)，采用本發(fā)明上述電池，其解決了全鐵液流電池存在的成本高、不穩(wěn)定性、電池能量密度低的問題；且其相較于質(zhì)子交換膜燃料電池具有更高的能量效率，貴金屬催化劑用量低，且成本較低的優(yōu)勢。