A16型号高能量密度电池及其正负极电解液和制备方法技术

本发明专利技术涉及一种A16型号高能量密度电池及其正负极电解液和制备方法，属于电化学领域，可广泛应用于新能源大规模储能。本发明专利技术的A16型号高能量密度电池中所述负极电解液的活性物质为K3Fe(CN)6，其恒定pH以六亚甲基四胺‑盐酸来维持；正极电解液活性物质为Fe(3m6’hbpy)3Cl2，其恒定pH以氨基乙酸‑盐酸来维持；正负极固态储能材料均为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；通过中间体K3Fe(CN)6与Fe(3m6’hbpy)3Cl2的氧化还原来实现电子/电荷在正负电极与固体储能材料Fe4[Fe(CN)6]3之间的传递。其能量密度可达现有全钒液流电池的2倍以上，但活性材料成本只有它的十分之一。

Model A16 High Energy Density Battery and Its Electrolyte for Positive and Negative Electrodes

The present invention relates to A16 type high energy density battery and its positive and negative electrolyte and preparation method, which belongs to the field of electrochemistry and can be widely used in large-scale energy storage of new energy sources. The active substance of the negative electrolyte in A16 high energy density battery is K3Fe(CN)6 whose constant pH is maintained by hexamethylenetetramine hydrochloric acid; the active substance of the positive electrolyte is Fe(3m6'hbpy)3Cl2 whose constant pH is maintained by aminoacetic acid and hydrochloric acid; the solid energy storage materials of the positive and negative electrodes are Prussian blue Fe4[Fe(CN)6]3; and the intermediate K3Fe(CN)6 and Fe(3m6'hbpy) The redox of 3Cl2 can transfer electron/charge between positive and negative electrodes and solid energy storage material Fe4[Fe(CN)6]3. Its energy density can be more than two times as high as the existing all-vanadium liquid flow battery, but the cost of active material is only one tenth of its cost.

【技术实现步骤摘要】
A16型号高能量密度电池及其正负极电解液和制备方法
本专利技术涉及一种A16型号高能量密度电池及其正负极电解液和制备方法，属于电化学领域，可广泛应用于新能源的大规模储能。
技术介绍
广泛地利用太阳能、风能等可再生能源来取代化石能源是避免温室效应灾难性后果的最佳策略之一。然而太阳能和风能的间歇性对电网的安全管理带来了巨大挑战。智能电网的发展需要一种可靠的储能装置来调节功率的输入输出，以达到最高的能量利用效率。在各种大规模能量储存方案中，抽水储能和压缩空气储能具有最好的成本效益，但是二者需要特殊的地理和地质要求。除此二者之外，液流电池以其响应速度快、可快速充放电和安全性能高等优点成为最具发展潜力的大规模储能装置之一。液流电池的活性物质溶解在电解液中；在泵的推动下，电解液循环流动于储液罐与电极室之间。这种结构特点使液流电池的功率与容量相互独立，可以显著地提高系统设计的灵活性，有利于满足客户不同的需求。但液流电池的低能量密度和低成本效益成了阻碍它广泛商业化应用的两大因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种A16型号高能量密度电池及其正负极电解液和制备方法，克服现有液流电池的不足之处，实现液流电池高能量密度和低成本化目标。本专利技术的A16型号高能量密度电池是在现有液流电池的基础上改进而成，主要由负极、负极电解液、负极固体储能材料、正极、正极电解液、正极固体储能材料和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极固体储能材料置于负极罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极固体储能材料置于正极罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。本专利技术的A16型号高能量密度电池，关键在于所述负极电解液的活性物质为K3Fe(CN)6，其恒定的pH以六亚甲基四胺-盐酸来维持，且与之对应的负极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；正极电解液活性物质为Fe(3m6’hbpy)3Cl2，其恒定的pH以氨基乙酸-盐酸来维持，且与之对应的正极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；通过中间体K3Fe(CN)6与Fe(3m6’hbpy)3Cl2的氧化还原来实现电子/电荷在正负电极与固体储能材料Fe4[Fe(CN)6]3之间的传递。负极电解液的pH为5.0—7.0；正极电解液的pH为1.5—2.5。所述负极电解液的组成为：0.02-0.8MK3Fe(CN)6+0.02-1.6MC6H12N4/HCl+0.02-1.6MNaCl。所述负极电解液的制备方法，包括以下步骤，以下份数表示物质的量：A步骤，称取1份K3Fe(CN)6，溶于水中，充分搅拌；B步骤，称取1-2份六亚甲基四胺和1-2份HCl加入A步骤溶液中，充分搅拌；C步骤，称取1-2份NaCl加入B步骤溶液中，充分搅拌；最后加入水，将各物质定容到浓度范围：0.02-0.8MK3Fe(CN)6+0.02-1.6MC6H12N4/HCl+0.02-1.6MNaCl。所述正极电解液的组成为：0.02-0.8MFe(3m6’hbpy)3Cl2+0.0002-0.08MC2H5NO2/HCl+0.02-1.6MNaCl；其中，3m6’hbpy为3-甲基-6’-羟基-2,2’-联吡啶，结构式如下：所述正极电解液的制备方法，包括以下步骤，以下份数表示物质的量：A步骤，称取1份FeCl2和3份3-甲基-6’-羟基-2,2’-联吡啶，溶于水中，充分搅拌；B步骤，称取0.01-0.1份C2H5NO2/HCl加入A步骤溶液中，充分搅拌；C步骤，称取1-2份NaCl加入B步骤溶液中，充分搅拌；最后加入水，将各物质定容到浓度范围：0.02-0.8MFe(3m6’hbpy)3Cl2+0.0002-0.08MC2H5NO2/HCl+0.02-1.6MNaCl。本专利技术的A16型号高能量密度电池以K3Fe(CN)6作为负极活性物质，Fe(3m6’hbpy)3Cl2为正极活性物质，普鲁士蓝作为正负极固态储能物质，其电极反应如下，负极反应：正极反应：其工作原理是利用中间体电对[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-和[Fe(3m6’hbpy)3]3+/[Fe(3m6’hbpy)3]2+来实现电子/电荷在电极与固态储能材料普鲁士蓝之间的传递，从而实现能量的储存和释放。充放电时，正、负极电解液在各自的回路中循环流动，但固体储能材料不随电解液流动。充电时，K3Fe(CN)6还原成K4Fe(CN)6，K4Fe(CN)6把电子传递给普鲁士蓝；Fe(3m6’hbpy)3Cl2氧化成Fe(3m6’hbpy)3Cl3，Fe(3m6’hbpy)3Cl3把电荷传递给普鲁士蓝；放电时，K4Fe(CN)6氧化成K3Fe(CN)6，K3Fe(CN)6把电荷传递给Fe2[Fe(CN)6]；Fe(3m6’hbpy)3Cl3还原成Fe(3m6’hbpy)3Cl2，Fe(3m6’hbpy)3Cl2把电子传递给Fe[Fe(CN)6]。电池单体的正、负极标准电势差为0.65V。本专利技术的A16型号高能量密度电池，由于选用铁化合物作为电解液活性物质和固态储能材料，因而可以实现低成本化。同时，利用固态铁化合物来储存电子和电荷，有利于实现高能量密度。本专利技术的A16型号高能量密度电池的能量密度可达到现有全钒液流电池能量密度的2倍以上，但活性材料的成本却只有它的十分之一。附图说明图1是本专利技术的A16型号高能量密度电池单体的结构示意图。具体实施方式如图1所示(图中箭头为电解液流向)，本专利技术的A16型号高能量密度电池主要由负极、负极电解液、负极固体储能材料、正极、正极电解液、正极固体储能材料和离子交换膜(隔膜)组成的多节电池单体联成的电堆，负极固体储能材料置于负极罐中，由泵来进行负极电解液的输送，正极固体储能材料置于正极罐中，由泵来进行正极电解液的输送。电堆中的负极室用电解液导管与负极罐、负极电解液输送泵连成回路，负极电解液在该回路中循环流动。电堆中的正极室通过电解液导管与正极罐、正极电解液输送泵连成回路，正极电解液在该回路中循环流动。所述负极电解液为0.02-0.8MK3Fe(CN)6+0.02-1.6MC6H12N4/HCl+0.02-1.6MNaCl的水溶液，正极电解液为0.02-0.8MFe(3m6’hbpy)3Cl2+0.0002-0.08MC2H5NO2/HCl+0.02-1.6MNaCl的水溶液。所述负极固体储能材料和正极固体储能材料均为普鲁士蓝。所述负极电解液，选用K3Fe(CN)6溶解到水中，并加入C6H12N4/HCl和NaCl得到。所述正极电解液，选用前驱体FeCl2溶解在前驱体3-甲基-6’-羟基-2,2’-联吡啶中，并加入C2H5NO2/HCl和NaCl得到。负极电解液的pH为5.0—7.0；正极电解液的pH为1.5—2.5。电池单体的正、负极可选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸或碳布等惰性材料。离子交换膜把电池单体分隔为正极室、负极室和中间的氯化钠电解液室三部分，氯化钠电解液浓度为0.5—1.5M，正极在正极室中，负极在负极室中。所述离子交换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种A16型号高能量密度电池，包括离子交换膜、正负极、正负极电解液，其特征是：所述负极电解液的活性物质为K3Fe(CN)6，其恒定的pH以六亚甲基四胺‑盐酸来维持，且与之对应的负极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；正极电解液活性物质为Fe(3m6’hbpy)3Cl2，其恒定的pH以氨基乙酸‑盐酸来维持，且与之对应的正极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；通过中间体K3Fe(CN)6与Fe(3m6’hbpy)3Cl2的氧化还原来实现电子/电荷在正负电极与固体储能材料Fe4[Fe(CN)6]3之间的传递。

【技术特征摘要】
1.一种A16型号高能量密度电池，包括离子交换膜、正负极、正负极电解液，其特征是：所述负极电解液的活性物质为K3Fe(CN)6，其恒定的pH以六亚甲基四胺-盐酸来维持，且与之对应的负极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；正极电解液活性物质为Fe(3m6’hbpy)3Cl2，其恒定的pH以氨基乙酸-盐酸来维持，且与之对应的正极固态储能材料为普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3；通过中间体K3Fe(CN)6与Fe(3m6’hbpy)3Cl2的氧化还原来实现电子/电荷在正负电极与固体储能材料Fe4[Fe(CN)6]3之间的传递。2.根据权利要求1所述的一种A16型号高能量密度电池，其特征是，负极电解液的pH为5.0—7.0；正极电解液的pH为1.5—2.5。3.根据权利要求1所述的一种A16型号高能量密度电池，其特征是，所述负极电解液的组成为：0.02-0.8MK3Fe(CN)6+0.02-1.6MC6H12N4/HCl+0.02-1.6MNaCl。4.根据权利要求1所述的一种A16型号高能量密度电池，其特征是，所述正极电解液的组成为：0.02-0.8MFe(3m6’hbpy)3Cl2+0.0002-0.08MC2H5NO2/HCl+0.02-1.6MNaCl；其中，3m6’hbpy为3-甲基-6’-羟基-2,2’-联吡啶，结构式如下：5.根据权利要求1所述的一种A16型号高能量密度电池，其特征是：电池单体的正、负极选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸或碳布惰性材料；离子交换膜把电池单体分隔为正极室、负极室和中间的氯化钠电解液室三部分，氯化钠电解液浓度为0.5—1.5M，正极在正极室中，负极在负极室中；所述离子交换膜选用阳离子交换膜和阴离子交换膜，阳离子交换膜在负极一侧，阴离子交换膜在正极一侧。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志鹏，杨斌，刘柏雄，傅俊祥，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36