一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液

本发明属于氧化还原液流电池领域，更具体地，涉及一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液。

背景技术：

1、随着社会对电力能源需求的快速增长，以及人们环保意识的不断增强，利用太阳能、风能等可再生能源成为世界各国关注的焦点。而可再生能源发电系统存在间歇性、电能质量不稳定等问题。因此，利用储能系统存储不稳定、过剩的可再生能源，被认为具有良好的应用前景。液流电池作为最具潜力的化学储能技术，可以广泛应用于风能、太阳能等可再生资源发电储能、应急电源系统、备用电站和电力系统削峰等方面，具有系统设计灵活、蓄电容量大、能量转换效率高、选址自由、安全环保等优点。

2、液流电池的基本组成包括电极材料、电解液、隔膜、装有电解液的储液罐、循环泵、循环管路和控制系统等模块。目前实现商业化进程的液流电池种类是全钒液流电池，但是其初期投资成本较高，限制了进一步大规模应用。除了全钒液流电池以外，目前研究较多的还有铁铬液流电池、全铁液流电池、锌溴液流电池和锌铁液流电池等，其中全铁液流电池又分为酸性环境和碱性环境下的全铁液流电池。酸性环境下的全铁液流电池有固态铁单质参与反应，因此是混合液流电池，其功率与容量未完全解耦，没有完全发挥出液流电池的优势，且存在较为严重的析氢副反应。

3、碱性全铁液流电池的电解液一般采用铁离子的络合物作为活性物质。常规的碱性配体络合力弱、稳定性差，运行一段时间后电解液的ph发生较大变化，络合物中的铁离子解络合会产生氢氧化铁沉淀，导致堵塞隔膜离子通道、堵塞管路、不完全放电等一系列问题，最终导致电池的容量衰减，对电池的循环寿命不利。另外，常规配体自身不具备氧化还原活性，但其又占据了溶液中的大多数组分，因此常规电解液活性物质的浓度较低，容量较低。

技术实现思路

1、为解决上述碱性全铁液流电池容量低、稳定性差的技术问题，本发明在负极电解液引入多功能配体有机分子，一方面在碱性环境下能够与铁离子形成稳定的络合物，延长电池寿命；另一方面配体自身拥有氧化还原活性，大幅提高电解液的容量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，包括铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质，其特征在于，所述电解液组分均能溶于水中，所述活性物质包括铁活性物质和活性有机配体，且总浓度为0.1～2.0mol/l。其中铁活性物质选自三价铁盐，优选为氯化铁、硫酸铁、磷酸铁、硝酸铁、醋酸铁中的至少一种，活性有机配体为1,3-双((三羟甲基)甲基氨基)丙烷、双(2-羟乙基)氨基(三羟甲基)甲烷、三(羟甲基)氨基甲烷中的至少一种；

4、所述支持电解质为碱性无机化合物，辅助电解质选自不参加电化学反应的无机盐类。支持电解质为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种，辅助电解质为氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硝酸钾、硝酸钠中的至少一种。

5、铁活性物质在所述电解液中的浓度为0.1～1.0mol/l，进一步地，优选0.2～0.5mol/l。活性有机配体在所述电解液中的浓度为0.1～1.0mol/l，进一步地，优选0.4～0.8mol/l且与铁活性物质的比为1:1～3:1。支持电解质在所述电解液中的浓度为0.5～5.0mol/l，进一步地，优选1.0～3.0mol/l。辅助电解质在所述电解液中的浓度为0.1～1.5mol/l。

6、上述电解液的制备，是将铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质加到无氧去离子水中进行混合，加的时候将铁活性物质与支持电解质采用活性有机配体分开加。优选在密闭的反应器中通入氮气排净空气，将铁活性物质与活性有机配体、支持电解质、辅助电解质依次加入，在加入上述物质之前或之后加入适量无氧去离子水，恒温搅拌一段时间后制成均匀溶液。

7、一种高容量的水系全铁液流电池，其由电极、电解液、隔膜、储罐、泵和管路等组成，所述电极、电解液由隔膜间隔分为正、负两个腔室，所述电解液由泵输送循环，所述电池运行的温度为10～80℃，其中负极电解液采用上述电解液。其中电极材料选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸、碳纸、碳布惰性材料中的一种，隔膜选用全氟磺酸质子交换膜nafion117、nafion115、nafion212、nafion211中的一种。

8、与现有技术相比，本发明具有以下显著优点及有益效果：

9、在本发明中，在负极电解液创新性地引入了多功能配体有机分子，一方面在碱性环境下能够与铁离子形成稳定的络合物，使铁元素的氧化还原电位向负极偏移，与正极电解液匹配形成较高的电压；另一方面，配体自身拥有氧化还原活性，提升电解液内活性物质浓度，大幅提高电池容量。

10、本发明中的负极电解液中的络合物具有优良的电化学活性和稳定性，使用本发明电解液所组装的液流电池的容量及寿命较现有全铁液流电池可提高大约30％。另外在本发明中所用原料成本低廉，合成方法简单，适合大规模可再生能源的配套储能技术，具有十分广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，包括铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质，其特征在于，所述电解液组分均能溶于水中，铁活性物质选自三价铁盐，优选为氯化铁、硫酸铁、磷酸铁、硝酸铁、醋酸铁中的至少一种，活性有机配体为1,3-双((三羟甲基)甲基氨基)丙烷、双(2-羟乙基)氨基(三羟甲基)甲烷、三(羟甲基)氨基甲烷中的至少一种。

2.按照权利要求1所述的一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，其特征在于，活性有机配体与铁活性物质的摩尔比为1:1～3:1；铁活性物质和活性有机配体总浓度为0.1～2.0mol/l。

3.按照权利要求1所述的一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，其特征在于，所述支持电解质为碱性无机化合物，辅助电解质选自不参加电化学反应的无机盐类。

4.按照权利要求3所述的一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，其特征在于，支持电解质为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种，辅助电解质为氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硝酸钾、硝酸钠中的至少一种。

5.按照权利要求1所述的一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，其特征在于，铁活性物质在所述电解液中的浓度为0.1～1.0mol/l，优选0.2～0.5mol/l；活性有机配体在所述电解液中的浓度为0.1～1.0mol/l，优选0.4～0.8mol/l；支持电解质在所述电解液中的浓度为0.5～5.0mol/l，优选1.0～3.0mol/l；辅助电解质在所述电解液中的浓度为0.1～1.5mol/l。

6.按照权利要求1所述的一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，其特征在于，电解液的制备，是将铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质加到无氧去离子水中进行混合，加的时候将铁活性物质与支持电解质采用活性有机配体分开加；优选在密闭的反应器中通入氮气排净空气，将铁活性物质与活性有机配体、支持电解质、辅助电解质依次加入，在加入上述物质之前或之后加入适量无氧去离子水，恒温搅拌一段时间后制成均匀溶液。

7.一种高容量的水系全铁液流电池，其特征在于，负极电解液采用权利要求1-6任一项所述的电解液。

8.按照权利要求7所述的一种高容量的水系全铁液流电池，其特征在于，由电极、电解液、隔膜、储罐、泵和管路组成，所述电极、电解液由隔膜间隔分为正、负两个腔室，电解液由泵输送循环，电池运行的温度为10～80℃。

9.按照权利要求8所述的一种高容量的水系全铁液流电池，其特征在于，其中电极材料选用碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸、碳纸、碳布惰性材料中的一种。

10.按照权利要求8所述的一种高容量的水系全铁液流电池，其特征在于，隔膜选用全氟磺酸质子交换膜nafion117、nafion115、nafion212、nafion211中的一种。

技术总结一种高容量的水系全铁液流电池负极电解液，属于氧化还原液流电池领域。包括铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质，铁活性物质选自三价铁盐，活性有机配体为1,3‑双((三羟甲基)甲基氨基)丙烷、双(2‑羟乙基)氨基(三羟甲基)甲烷、三(羟甲基)氨基甲烷中的至少一种。在负极电解液引入多功能配体有机分子，一方面在碱性环境下与铁离子形成稳定的络合物，延长电池寿命；另一方面配体自身拥有氧化还原活性，大幅提高电解液的容量。所述负极电解液包括铁活性物质、活性有机配体、支持电解质和辅助电解质。使用本发明电解液所组装的液流电池的容量及寿命较现有全铁液流电池可提高大约30％。技术研发人员：孙振宇,杨家辉,周成喜,郝磊端,徐亮受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10