[發明專利]基于電活性吩嗪衍生物負極的堿性水系混合液流電池

有效

• 申請號: 202011380434.0
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112563521B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 曹劍瑜;王征;許娟
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/18
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 謝新萍

本發明屬于新能源領域，涉及一種水系液流電池，具體涉及一種基于電活性吩嗪衍生物負極的堿性水系混合液流電池，混合液流電池負極為具有氧化還原活性的不溶性吩嗪衍生物，負極的支持電解質為強堿，隔膜為離子傳導性膜，正極活性電解質為亞鐵氰化物，正極為碳基導電材料。該水系混合液流電池具有低的單位成本、長循環壽命、高比容量和安全環保等優點，在可再生能量的規模儲電以及電網調峰領域有廣闊應用前景。

技術領域

本發明屬于新能源領域，涉及一種水系液流電池，具體涉及一種基于電活性吩嗪衍生物負極的堿性水系混合液流電池。

背景技術

使用自然界中豐富的可再生能源，如太陽能、風能和潮汐能等發電，清潔環保，是未來社會實現能源供需可持續發展的必由之路。然而這類能源存在先天性的限制，比如明顯的地域性和間歇性，因而要求配備高效電池系統以調節盈缺，平抑電網的峰谷差，減少能源浪費(Renew.Sust.Energ.Rev.2009,13,1513)。

液流電池作為一類規模性的電化學儲能系統，通過不同氧化還原活性物種之間的價態轉換實現能量存儲與轉換，由于氧化還原活性物種儲存在電池的外部，其能量與功率輸出相互解耦，從而可以獨立地優化電池體系以滿足功率需求和優化活性物種的濃度/體積以滿足能量需求(J.Mater.Chem.A,2017,5,7944)。因而，這類具有高度靈活性和成本可控性的液流電池系統在可再生能源的規模利用和電網調峰等領域顯示了廣泛的應用前景(Adv.Mater.2019,31,1902025)。

全釩液流電池是當前發展最快的一類水系液流電池，具有超長的循環壽命(Environ.Sci.Technol.2018,52,18,10864)。然而正極使用的釩氧物種的溶解度較低，導致全釩體系的能量密度偏低。而且釩氧物種的溶解度與溫度呈負相關，操作溫度不能高于40℃。另外，釩基電活性物種的稀缺性、高的價格和大的毒性也一定程度上制約了全釩體系的應用(ACS Energy Lett.2019,4,12,3028)。

傳統液流電池使用溶液態的氧化還原活性物種存儲能量。由于氧化還原活性物種在水溶液中的溶解度限制，液流電池的能量密度普遍偏低，難以與使用固態電極的二次電池競爭。

混合液流電池設計是對傳統液流電池的重要拓展。使用高比容量的固態電活性有機分子與液態活性電解質匹配，組建混合式儲能電池(即混合液流電池)，不僅可顯著提升其能量密度，而且兼有長循環壽命、高功率密度、低成本和高安全性的優勢。

現有技術中基于固態電活性有機分子的水系液流電池的主要不足在于固態電活性有機分子電極的比容量偏低，專利CN110867587A中的四吡啶基吩嗪的理論比容量僅128.8mAh/g，其在電流密度1A/g下的實際比容量低于90mAh/g(J.Mater.Chem.A,2020,8,6874)。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有高比容量的水系混合液流電池。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于高理論比容量的不溶性吩嗪衍生物固態負極的堿性水系混合液流電池新結構。

本發明提供的電池系統由固態負極、負極的支持電解質溶液、隔膜、正極電解質溶液、導電性正極、儲槽和循環泵所構成。

其中，固態負極的活性物質為具有氧化還原活性的不溶性吩嗪衍生物。負極活性物質的載量范圍為0.2-5mg/cm²。

負極的支持電解質為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋰或者它們的混合物。

不溶性吩嗪衍生物分子具有下式結構：