一种使用纳米粒子提升液流电池传输性能的方法及液流电池技术

本发明专利技术属于电化学储能中的液流电池技术领域，公开了一种使用纳米粒子提升液流电池传输性能的方法及液流电池。本发明专利技术在正极和负极电解液中添加纳米粒子，形成纳米流体，提高电解液的传质性能。利用纳米粒子的布朗运动，改善电解液粘度高、流动性差的问题，进而提高电池的能量效率和功率密度。池的能量效率和功率密度。池的能量效率和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种使用纳米粒子提升液流电池传输性能的方法及液流电池


[0001]本专利技术属于电化学储能中的液流电池
，具体涉及一种使用纳米粒子提升液流电池传输性能的方法及液流电池。

技术介绍

[0002]液流电池的概念是由Thaller于1974年首次提出。当前文献中报道最多的为水系液流电池，研究最多的如铁/铬液流电池、全钒液流电池和溴化物/多硫化物液流电池等。近年来液流电池技术因其运行安全可靠、环境友好、设计和安置灵活、能量效率高，启动速度快前期成本低等优点成为目前具有良好前景的适合在大规模储能方面应用的技术。
[0003]纳米流体由于其独特的性质，使它们在传热方面的许多应用中具有潜在的用途，包括微电子、燃料电池、制药过程和混合动力发动机，发动机冷却/车辆热管理、家用冰箱、冷却器、热换热器、研磨、机加工和锅炉烟气降温。与基液相比，它们表现出增强的热导率和对流传热系数。近几年，纳米流体逐渐在电化学领域展现出巨大的潜能。对于全钒液流电池技术，可以通过在电极表面沉积纳米颗粒(纳米电催化剂)来增强电化学活性，以增加活性中心、官能团和多孔介质。此外，留在液体中的纳米颗粒改善了电解液的导电性和导热性，并降低了其欧姆电阻和离子沉淀。此外，利用导电性良好的材料制作的纳米粒子可以在溶液内创造电子网络，加速离子迁移。
[0004]目前，使用纳米粒子的液流电池还未见相关报道。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供了一种通过添加纳米粒子来提高液流电池性能的方法及液流电池，利用纳米粒子自身的布朗运动，提高液流电池电解液的传质能力，改善电解液粘度高、流动性差的问题，并通过在电解液内建立电子网络，加速离子迁移，进而提高电池的能量效率和功率密度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种利用纳米粒子布朗运动提高液流电池传输性能的方法，在正极和负极电解液中添加纳米粒子，利用纳米粒子的布朗运动，建立电子网络，提高电解液内离子碰撞频率，加速电解液内部的离子迁移行为。同时，利用纳米粒子良好的导热性能，提高电池的工作温度，提高离子迁移速率和导电率。
[0008]所述的纳米粒子为磁性纳米粒子或非磁性纳米粒子中的任意一种。
[0009]磁性纳米粒子为Fe3O4纳米粒子或γ
‑
Fe2O3纳米粒子，非磁性纳米粒子为SiO2纳米粒子或碳基纳米粒子。
[0010]纳米粒子的粒径＜50nm。
[0011]一种在电解液添加纳米粒子的液流电池，包括正极储液罐、负极储液罐，第一机械泵、第二机械泵、离子交换膜、负极电极、正极电极、第一集流板、第二集流板和第一端板、第二端板；正极储液罐、负极储液罐中分别存放着正极电解液、负极电解液，正极储液罐与正
极电极、负极储液罐与负极电极之间分别设置第一机械泵、第二机械泵；离子交换膜位于负极电极与正极电极之间，负极电极与正极电极两侧分别为第一集流板、第二集流板，第一端板、第二端板在第一集流板、第二集流板外侧用于固定；正极储液罐、负极储液罐内添加纳米粒子，搅拌均匀，并通过第一机械泵、第二机械泵输送到负极电极与正极电极中。
[0012]进一步地，离子交换膜选择全氟磺酸离子交换膜或纳米孔道过滤膜。
[0013]进一步地，正极电极、负极电极为石墨毡、碳毡、碳布或泡沫镍。
[0014]进一步地，所述正极储液罐中的低共熔溶剂中加入正极活性物质，正极活性物质是二价铁离子、四价钒离子、二价锰离子中的一种。
[0015]进一步地，负极储液罐中的低共熔溶剂中加入负极活性物质，负极活性物质是三价钒离子，三价铬离子，二价锌离子，二价铜离子中的一种。
[0016]与现有技术相比，本专利技术所产生的积极效果为：
[0017]1.经实验验证，提高温度和外加磁场对液流电池的性能有着明显的提升，其原因在于液流电池电解液是由阴、阳离子组成，主要依靠离子迁移来导电，离子所带能量随着温度升高和磁场的加入而增大，受温度影响产生无规则热运动的活性离子同时也受到磁场洛伦兹力的影响，使得离子更容易克服离子间的氢键作用和聚合效应，变得有序规则地扩散运动，从而降低体系的粘度，减小离子运动的阻力，使电解液流动性增强，在磁场的作用下活性离子的运动变得有序且运动速率加快，电解液的电导率增大。然而升温与产生磁场都需要额外消耗能量，对实际产生的经济效益大打折扣。而纳米粒子不需要持续重复添加，并且不会在反应中发生消耗，其稳定性和经济性都更加优秀。
[0018]2.纳米粒子拥有着良好的产热率，其自身的布朗运动促进活性离子的热运动过程，改善电解液中氧化还原电对的反应动力学，增大活性离子在电化学反应中的扩散系数，提高活性离子的扩散能力，进而增加离子间的频繁碰撞使其更容易克服反应活化能而发生电化学反应，有效提高活性物质的氧化还原峰值电流密度，加快电化学反应速率，使电解液的电化学性能显著提高。
附图说明
[0019]图1为所述液流电池的结构示意图。
[0020]图2为添加不同浓度四氧化三铁纳米粒子的电解液的循环伏安曲线。
[0021]图中：1
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正极储液罐，2
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负极储液罐，3
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第一机械泵，4
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第二机械泵，5
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离子交换膜，6
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正极电极，7
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负极电极，8
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第一集流板，9
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第二集流板，10
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第一端板，11
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第二端板。
具体实施方式
[0022]实施例1：
[0023]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0024]本专利技术所述的提高液流电池传输性能的方法，是在正负极电解液中添加纳米粒子四氧化三铁纳米粒子，形成纳米流体，在纳米粒子的驱动下，协同离子热运动，提高离子运动速率，提高液流电池的电导率。在布朗运动的驱动下，离子运动的阻力减小，离子运动速率加快，调节了电解液的物理特性，减少了液流电池的内部损耗从而提高其传输性能。纳米粒子还对热传导起着促进作用，能够改善电解液中氧化还原电对的反应动力学，增大离子
在电化学反应中的扩散能力，进而增加离子间的碰撞使其更容易克服反应活化能而发生电化学反应，有效提高活性物质的氧化还原峰值电流，使电解液的电化学性能显著提高；同时也对传质过程起到积极的作用。
[0025]基于上述方法的液流电池，如图1所示，包括正极储液罐1、负极储液罐2，第一机械泵3、第二机械泵4、、离子交换膜5、正极电极6、负极电极7、第一集流板8、第二集流板9、第一端板10和第二端板11。正极储液罐1、负极储液罐2中分别存放着以低共熔溶剂为支持电解质的正极电解液、负极电解液以及纳米粒子，正极储液罐1与正极电极6、负极储液罐2与负极电极7之间分别设置第一机械泵3、第二机械泵4。离子交换膜5位于正极电极6与负极电极7之间，正极电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用纳米粒子提升液流电池传输性能的方法，在正极和负极电解液中添加纳米粒子，形成纳米流体，利用纳米粒子的布朗运动，破坏流体边界层，并创建电子网络，加速电解液内部的离子迁移速率；同时，利用纳米粒子良好的导热性能，提高电池的工作温度，提高离子迁移速率和导电率。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纳米粒子为磁性纳米粒子或非磁性纳米粒子中的任意一种。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，磁性纳米粒子为Fe3O4纳米粒子或γ
‑
Fe2O3纳米粒子，非磁性纳米粒子为SiO2纳米粒子或碳基纳米粒子。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，纳米粒子的粒径＜50nm。5.如权利要求1所述方法得到的一种在电解液添加纳米粒子的液流电池，包括正极储液罐(1)、负极储液罐(2)，第一机械泵(3)、第二机械泵(4)、离子交换膜(5)、负极电极(6)、正极电极(7)、第一集流板(8)、第二集流板(9)和第一端板(10)、第二端板(11)；正极储液罐(1)、负极储液罐(2)中分别存放着正极电解液、负极电解液，正极储液罐(1)与正极电极(7)、负极储液...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐谦，周浩天，张瑞平，马强，李卓，苏华能，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：