CN109411794A - 一种新型全醌水体系液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学领域，涉及一种全醌水体系液流电池。采用本发明所涉及方法构建的正负极活性物质均为醌类的新型有机物液流电池，可用于酸性、碱性和中性水溶液的电池体系中，是一种结构和性能设计性强、充放电性能良好、绿色环保的电池，成本低、活性高，在电动工具、电动车、电网等储能方面有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电化学工程与工业装置领域，特别涉及电池生产技术领域的一种新型全醌液流电池的制备方法，可用在酸性、中性和碱性水溶液的液流电池体系中。
背景技术
新能源是我国七大新兴产业之一，将长期持续发展。但是太阳能和风能发电不可能按照火电那样根据用户需要“随时用，即刻发”，而是“随机发、不好用”。太阳能发电要白天发、晚上用；我国“三北地区”夜间风大正是电网的用电“谷期”，如没有大规模蓄电相配合，就会造成“弃风”“弃光”的浪费。因此，大规模蓄电是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键问题之一。
各类化学电源中，适合大规模蓄电者必须具备安全、廉价、环保三项基本性能，因而水体系液流电池应该是关注的重点。目前，成熟的水体系液流电池主要有镉镍电池、氢镍电池、铅酸电池，活性物质均为无机物。镉镍电池已被限制使用，铅酸电池是我国政府今年开征消费税的唯一品种，以限制其发展，氢镍电池价格高，不适合大规模使用。研发安全、廉价、环保的大规模蓄电池是电化学工作者义不容辞的当务之急。
事实上，许多有机物具有氧化还原可逆性，理论上，通过结构调整降低分子量、增加反应电子数，有机物可具有高的电化学比容量。有机物主要由碳、氢、氧、氮等常见元素组成，来源广泛，不受矿藏资源的限制，合成工艺简便易行，成本降低空间大，电化学性能和溶解性可以根据结构调节，且可再生利用，研究有机物在化学电源中的应用，不仅科学意义重大，实用价值也很高。为此，试图将有机物作为液流电池的电极活性材料应用于化学储能的人，近年来增多。
按活性官能团的不同，常见的有机电对包括：醌/酚(如对苯醌、联苯醌)、酮/醇(如二苯甲酮)、嗪类化合物(如吡嗪、吩嗪)，含金属官能团(如二茂铁、二茂镍)、含硫官能团(如二硫化合物)、含氮官能团(苯胺、N-O键化合物)等。其中，基于醌/酚互变的醌类化合物的电化学可逆性最好，传统的醌氢醌电极即是代表。特别是，醌类化合物由于电极电位可调控，且电极电位在-0.6～1V vs.NHE之间，不易发生析氢析氧副反应，作为水体系电池活性物质，具有较大的潜在应用价值。醌类化合物除了可来源于石化原料外，还可从生物质中提取，符合绿色环保的理念。为此，如能让这两种具有良好氧化还原可逆性的有机物发挥其在化学电源中的新应用，将有较高的理论和现实意义。
本发明提供一种新型全醌液流电池，采用碱性、酸性和中性电解液，提高液流电池的循环寿命和电池的比能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型全醌液流电池，该电池具有生产成本低，清洁环保无污染的优点。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该电池的正负极活性物质均为醌类化合物。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该化合物的分子结构中均含有醌类结构基团
一种全醌水体系液流电池，其特征是，醌类化合物为单环(如)、多环醌类(如)化合物。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该化合物在二次电池支持电解液中溶解度高。该化合物的芳环上含有亲水性基团(如-OH、-COOH、-SO3H)。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，作为正极的醌类化合物的取代基为吸电子基(如-COOH、-SO3H)。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，作为负极的醌类化合物的取代基为供电子基(如 -OH)。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，所述的醌类化合物的制备方法为成环反应、加成反应或者取代反应。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该电池的支持电解液为酸性(如硫酸、盐酸)、碱性(如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾)或者中性(如氯化钠、硫酸钠、氯化钾、硫酸钾)水溶液。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该电池的隔膜为阴离子交换膜或者阳离子交换膜。
一种全醌水体系液流电池，其特征是，该电池的催化电极为惰性金属电极(铂电极、金电极、银电极)或者碳材料电极(如石墨板、石墨毡、碳毡)。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优势：
本发明的制备方法操作简单、方便、易于工业化，且成本低、污染少。制备的全醌液流电池，可用于碱性和中性水溶液的电池体系中，是一种原来来源广泛、性能可调控性强的液流电池，成本低、活性高，在电动工具、电动车、电网等储能方面有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面举几个实施例简要说明新型全醌液流电池。
实施例1
采用钛铁试剂作为正极，采用1,4,5,8-四羟基蒽醌作为负极，采用1M硫酸作为支持电解质，采用阳离子交换膜，采用石墨毡电极，组成全醌酸性液流电池。
实施例2
采用磺基对苯二酚作为正极，采用1,4,5,8-四羟基蒽醌作为负极，采用1M氢氧化钾作为支持电解质，采用阴离子交换膜，采用石墨毡电极，组成全醌碱性液流电池。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种全醌水体系液流电池，其特征在于：该电池的正负极活性物质均为醌类化合物。
2.根据权利要求1所述的醌类化合物，其特征在于：该化合物的分子结构中均含有醌类结构基团。
3.根据权利要求2所述的醌类化合物，其特征在于：醌类化合物为单环(如)、多环醌类(如)化合物。
4.根据权利要求2所述的醌类化合物，其特征在于：该化合物在二次电池支持电解液中溶解度高。该化合物的芳环上含有亲水性基团(如-OH、-COOH、-SO3H)。
5.根据权利要求2所述的醌类化合物，其特征在于：作为正极的醌类化合物的取代基为吸电子基(如-COOH、-SO3H)。
6.根据权利要求2所述的醌类化合物，其特征在于：作为负极的醌类化合物的取代基为供电子基(如-OH)。
7.一种全醌水体系液流电池，其特征在于：该电池的支持电解液为酸性(如硫酸、盐酸)、碱性(如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾)或者中性(如氯化钠、硫酸钠、氯化钾、硫酸钾)水溶液。
8.一种全醌水体系液流电池，其特征在于：该电池的隔膜为阴离子交换膜或者阳离子交换膜。
9.一种全醌水体系液流电池，其特征在于：该电池的催化电极为惰性金属电极(铂电极、金电极、银电极)或者碳材料电极(如石墨板、石墨毡、碳毡)。
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