【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学储能，具体地，涉及一种基于双极膜的解耦电池系统及其应用。
技术介绍
1、近年来，大规模储能系统、动力电池、电子产品等领域对可充电二次电池的高安全性、环境友好性、低成本、高能量密度的需求逐渐增加。传统的锂离子电池由于使用有机电解液造成的安全问题进一步促使了新型电池储能系统的需求。水系二次电池具有不易燃烧、低成本的电解液配置，是锂离子电池的理想替代者，此外水系可充电电池通常具有较低的生产成本。水系电池具有生态友好、安全性高、成本优势巨大等优点，吸引了近年来众多研究者的关注。但是大多数水系电池容量衰减问题严重、电极材料溶解老化问题依然难以解决。而相比于单离子电池，水系双离子电池具有较高的能量密度、较高的充放电效率、更长的循环寿命、较低的材料成本。此外，水系双离子电池的应用可以有效地减少对稀有金属的依赖性，同时其产生的废物和污染也相对较少，这使得其成为间歇性能源储存的潜在选择。
2、但是水系电池目前依然面临着如下的困境限制了其进一步发展，其中就包括水系电池较低的输出电压造成其能量密度过低的问题；此外，大多数水系电池伴随发生一些副反应也是造成电池系统的循环稳定性较差而限制其发展的又一个重要影响因素。
3、水系电池低电压的自然属性使得其能量密度的主要原因，特别是受到水分解的析氢和析氧反应(her和oer)的限制，在恒定ph的水性电解质的稳定电压窗口仅有1.23v，阻碍了其能量密度的进一步提高。
4、进一步地，her和oer的过电位在碱性和酸性电解质中通常较高，现已有研究表明具有酸性阴极
5、另一方面，盐湖卤水作为一种天然的自然资源，具有广泛的应用领域。盐湖老卤中的成分丰富多样，具有重要的应用价值，因此对于盐湖老卤资源的综合利用，将其应用于电池储能，不仅能够解决环境保护和可持续发展的问题，而且还能够降低。
6、因此，本专利技术设计和开发了一种基于双极膜的解耦水系离子电池，利用双极膜将半电池反应分隔开来，实现了非摇椅型的解耦电池体系，同时利用盐湖老卤作为电解质溶液，实现了具有较高输出电压的水系电池设计(高于1.23v)的同时，还能够降低解耦水系离子电池系统的原料成本。
技术实现思路
1、有鉴于此，为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于双极膜的解耦水系离子电池及其应用，利用双极膜将水系电池的阴阳极分隔开，通过酸碱解耦策略，让电池半反应发生在各自的限域区间内，开发了具有较高输出电压、长循环稳定性的水系电池储能系统，从而实现了氧化还原反应的解耦设计，对于提高电池的能量密度、配置性能稳定的电解液有着至关重要的作用。
2、为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于双极膜的解耦水系离子电池系统，采用双极膜作为电池隔膜，将解耦水系离子电池系统的阴极和阳极分隔开，形成阳极仓和阴极仓，使电池半反应发生在各自的限域区间内，通过氧化还原反应的解耦设计，使阳极仓的阳极仓电极和阴极仓的阴极仓电极独立地进行氧化还原反应，实现所述解耦水系离子电池系统的电压的提升。
3、优选地，所述双极膜由阴离子交换层和阳离子交换层组成，具有阴阳离子交换功能；更优选地，所述双极膜为日本astom公司生产的bp-2型号双极膜。
4、优选地，所述阴离子交换层可朝向所述阴极仓或所述阳极仓，所述阳离子交换层可朝向所述阳极仓或所述阴极仓，所述电解耦水系离子电池系统均能够进行良好的电池循环。
5、优选地，所述阳极仓、所述阴极仓内分别设置有阳极组件和阴极组件。
6、优选地，所述阳极组件包括阳极电极和阳极电解液。
7、优选地，所述阴极组件包括阴极电极和阴极电解液。
8、优选地，所述阳极电极为金属锌板；所述阳极电解液含有zn2+的碱性电解液。
9、优选地，所述阴极电极为具有金属离子脱嵌功能的材料；所述阴极电解液为除钾的盐湖卤水。
10、优选地，所述阳极仓电解液的ph值～14。
11、优选地，所述阴极仓电解液为盐湖卤水。
12、优选地，所述盐湖卤水是经过除钾之后的盐湖老卤，所述盐湖老卤中阴离子至少包括硫酸根离子、氯离子。
13、优选地，所述阴极电极为具有锂离子脱嵌功能的活性材料制成的电极。
14、优选地，所述活性材料为锰酸锂、氟磷酸钒锂、磷酸锰铁锂。
15、优选地，所述双极膜可使阳极仓电解液与阴极仓电解液中的阳离子/阴离子能够在两仓间来回迁移以平衡电池在充/放电过程中所述阳极仓电解液和所述阴极仓电解液的电荷。
16、工作原理：以所述双极膜的阴离子交换层朝向电池阳极仓，阳离子交换层朝向电池阴极仓为例，放电时，所述双极膜中的阳离子进入所述阴极仓中，所述阳极仓中的阴离子进入所述双极膜中，所述催化层中的结合水在电场作用下分解成质子和氢氧根离子分别向装置的阴极仓和阳极仓迁移；充电时，所述阴极仓中的阳离子进入所述双极膜，所述阳极仓中的阴离子进入所述双极膜，所述双极膜两侧的质子和氢氧根离子向所述催化层迁移并在电场的作用下结合生成水。
17、本专利技术所获得的有益技术效果：
18、1.采用本专利技术的技术方案，通过基于双极膜的酸碱解耦策略设计的水系离子电池系统，相比于传统的水系电池的配置，具有更灵活的电池设计，特别是将半电池反应分隔开来有利于新型水系电池的设计，通过优化电池组件中不同部分的性能、类型、材料等皆可有效地提升整个电池装置的性能。
19、2.本专利技术技术方案通过在酸性环境中高稳定性的、具有储锂功能的材料作为电池正极材料，采用碱性环境中具有较低氧化还原电势的电池负极材料，实现了双离子的解耦电池的设计。
20、3.采用本专利技术的技术方案，解决了电池的正极材料在酸性环境中的稳定性较差、溶解度高等问题，提供的水系电池系统具有高输出电压(储能装置的放电平台为1.75v左右、充电平台在1.9v左右)、高容量(电池容量高于120mag/g)的优点。
21、4.本专利技术技术方案通过采用盐湖老卤作为酸性电解液，能够降低水系电池系统在规模化应用中的成本优势，且具有生态友好性，同时也进一步拓宽了盐湖资源的应用渠道，对于提高盐湖资源的高值化转化有着重要的意义。
22、5.采用本专利技术技术方案，具有更低的原材料获取、制备、装配与集成成本，提高了其在未来规模化发展的竞争性。
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1.一种基于双极膜的解耦水系离子电池系统，采用双极膜作为电池隔膜，将解耦水系离子电池系统的阴极和阳极分隔开，形成阳极仓和阴极仓，使电池半反应发生在各自的限域区间内，通过氧化还原反应的解耦设计，使阳极仓的阳极仓电极和阴极仓的阴极仓电极独立地进行氧化还原反应。
2.根据权利要求1所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
5.权利要求4所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
6.根据权利要求4所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，所述阴极电极为具有金属离子脱嵌功能的活性材料制成的电极。
7.根据权利要求6所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，所述活性材料包含磷酸铁锂，锰酸锂、氟磷酸钒锂、磷酸锰铁锂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，所述双极膜可供阳极仓电解液与阴
9.一种非摇椅型解耦储能装置，至少包括如权利要求1-8任一项所述的解耦水系离子电池系统。
...【技术特征摘要】
1.一种基于双极膜的解耦水系离子电池系统，采用双极膜作为电池隔膜，将解耦水系离子电池系统的阴极和阳极分隔开，形成阳极仓和阴极仓，使电池半反应发生在各自的限域区间内，通过氧化还原反应的解耦设计，使阳极仓的阳极仓电极和阴极仓的阴极仓电极独立地进行氧化还原反应。
2.根据权利要求1所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
5.权利要求4所述的基于双极膜的解耦水系离子电池系统，其特征在于，
【专利技术属性】
技术研发人员：李建伟，王敏，聂新斌，
申请(专利权)人：中国科学院青海盐湖研究所，
类型：发明
国别省市：
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