一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法

本发明涉及液流电池储能，具体是一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法。使用该电解液组装的电池可在中性环境下使用，不仅可以用作太阳能、风能发电过程中配套的储能装置，还可以应用在智慧城市的能源管理中，与新型动力汽车结合。

背景技术：

1、由于可再生能源的间歇性，能量存储设备变得必要，以平衡供需不均。随着低成本、高效率和长循环寿命的能量存储技术发展，可再生能源在电网中的应用将显著增加。在可行的电网储能技术中，氧化还原液流电池被广泛认为是最适合的选择。液流电池是一种电化学电池，通过使电解质溶液流动于电极表面，将化学能转化为电能。在电极表面，氧化还原物质经历氧化和还原反应。液流电池由离子交换膜分为两个半电池，允许特定离子通过以平衡电荷，同时防止活性物质的通过。在包含正极的半电池中，电解质被称为正极电解质，而在包含负极的半电池中，则称为负极电解液。通过电解质的流动、氧化还原反应和离子交换，电子被驱动通过外部电路，实现电能的存储和释放。

2、液流电池具有安全性高、输出功率和储能容量可独立设计，环境友好等特点。目前发展较为成熟的全钒液流电池仍然存在一次性投入过高、活性物质交叉严重、性能衰减快等缺点。而其他锌、铁等混合液流电池存在着金属枝晶、副反应严重的缺陷。而且在充放电过程中，存在着不对称的水交叉，水分子跨膜迁移稀释一个半电池的电解液，从而增加另一个半电池的中的离子浓度，最终造成电解质的失衡，降低电池的稳定性与循环寿命。

技术实现思路

1、针对上述液流电池存在的问题，本发明提供一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，选取螯合能力强、价格低的螯合剂，用相同等量的螯合剂结合正负极活性物质，螯合物分子尺寸大，减少交叉污染，并用相同等量的支持电解质调节酸碱匹配度，相同的辅助电解质提高电导率。这能够减少水的跨膜迁移，大大提升液流电池的循环稳定性，同时保持较高的能量效率。高稳定铁铈液流电池可以用作太阳能、风能发电过程中配套的储能装置，还可以应用在智慧城市的能源管理中，与新型动力汽车结合。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，其特征在于：正极电解液包含铈盐、螯合剂、支持电解质、辅助电解质、无氧去离子水。负极电解液包含铁盐、螯合剂、支持电解质、辅助电解质、无氧去离子水。

4、所选铈盐为硫酸铈、碳酸铈、乙酸铈、硝酸铈、三氯化铈、草酸铈中一种或多种，所选铁盐为氯化铁、硫酸铁铵、硫酸铁、硝酸铁、醋酸铁中一种或多种。所选螯合剂为氨基三乙酸，乙二胺四乙酸、反式-1.2-环己二胺四乙酸、1,3-丙二胺四乙酸、n-(2-羟乙基)乙二胺-n,n',n'-三乙酸、亚氨基二乙酸、亚氨基二琥珀酸、琥珀酸、n,n'-乙二胺二琥珀酸、天冬氨酸或其衍生化学品至少一种。

5、所选支持电解质为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、碳酸铵、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中一种或多种。

6、所选辅助电解质为氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、氯化铵、硫酸铵、碳酸铵一种或多种。

7、一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，其特征在于，所选铁盐与铈盐的浓度为0.01～1.5mol/l,优选0.2～1.0mol/l。

8、所选螯合剂与铁盐、铈盐的摩尔比为(1～3)：1，优选2：1。

9、所选电解质浓度为0.01～8mol/l，优选1.0～4mol/l。

10、所选辅助电解质浓度为0～1.5mol/l，优选范围0.3～0.8mol/l。

11、一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，其特征在于，所述电解液的ph为4～9，优选6.5～7.5。

12、正极电解液中铈的浓度与负极电解液中铁的浓度相同，正极电解液中螯合剂、支持电解质、辅助电解质与负极电解液中螯合剂、支持电解质、辅助电解质分别对应物质相同且分别对应浓度相同，正极电解液与负极电解液的体积相同。

13、所述的铁铈液流电池负极电解液，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

14、1)将铁盐与螯合剂加入到含有无氧去离子水的反应器中，加热温度为20～100℃，搅拌2～10小时。

15、2)之后，将支持电解质与辅助电解质加入到反应器中，加热温度为20～100℃，搅拌2～10小时,定容，静置。

16、3)调整ph,得到所需电解液。

17、根据权利要求1所述的铁铈液流电池正极电解液，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

18、1)将铈盐与螯合剂加入到含有无氧去离子水的反应器中，加热温度为20～100℃，搅拌2～10小时。

19、2)之后，将支持电解质与辅助电解质加入到反应器中，加热温度为20～100℃，搅拌2～10小时。

20、3)调整ph,得到所需电解液。

21、一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，所述电解液的使用温度为10～70℃。

22、一种高稳定铁铈液流电池，包括所述的正负极电解液、正极、负极及隔膜。电极、电解液由隔膜隔开分为正、负两个腔室，电解液由泵输送循环。

23、一种高稳定铁铈液流电池，正极或负极材料为多孔碳材料电极，选取碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸、碳纸、碳布惰性材料中的一种。隔膜为nafion膜，选取nafion117、nafion115、nafion212、nafion211中的一种。

24、本发明的有益成果：

25、1.本发明中螯合剂成本低廉，螯合能力强，稳定铁铈两种活性物质，形成的螯合物分子具有可逆性和稳定性的高效配位结构。这抑制了活性离子的交叉，提升了电池的循环稳定性和能量效率。

26、2.本发明中正负极电解液采用相同等量的螯合剂、支持电解质制备而成，用辅助电解质提高电导率。这有助于减少正负极电解液的粘度差异，保证正负极电解液酸碱性的匹配度，减少水的跨膜迁移。

27、3.本发明中铁铈液流电池在循环稳定性方面具有较高的容量保持率，可在中性环境下使用，对设备材料的要求较低。在低成本下，不仅可以用作太阳能、风能发电过程中配套的储能装置，还可以应用在智慧城市的能源管理中，与新型动力汽车结合。

技术特征：

1.一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：正极电解液包含铈盐、螯合剂、支持电解质、辅助电解质、无氧去离子水；负极电解液包含铁盐、螯合剂、支持电解质、辅助电解质、无氧去离子水；

2.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所选铈盐为硫酸铈、碳酸铈、乙酸铈、硝酸铈、三氯化铈、草酸铈中一种或多种，所选铁盐为氯化铁、硫酸铁铵、硫酸铁、硝酸铁、醋酸铁中一种或多种；

3.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所选铁盐与铈盐的浓度均为0.01～1.5mol/l,优选0.2～1.0mol/l。

4.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：螯合剂与铁盐、铈盐的摩尔比均为(1～3)：1，优选2：1。

5.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所选电解质浓度为0.01～8mol/l，优选1.0～4mol/l；

6.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所述电解液的ph为4～9，优选6.5～7.5；所述电解液的使用温度为10～70℃。

7.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：正极电解液中铈的浓度与负极电解液中铁的浓度相同，正极电解液中螯合剂、支持电解质、辅助电解质与负极电解液中螯合剂、支持电解质、辅助电解质分别对应物质相同且分别对应浓度相同，正极电解液与负极电解液的体积相同。

8.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所述的铁铈液流电池负极电解液制备方法包括以下步骤：

9.按照权利要求1所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：所述电池包括所述的正负极电解液、正极、负极及隔膜；电极、电解液由隔膜隔开分为正、负两个腔室，电解液由泵输送循环。

10.按照权利要求9所述的一种高稳定铁铈液流电池，其特征在于：正极或负极材料为多孔碳材料电极，选取碳毡、石墨毡、石墨板、石墨纸、碳纸、碳布惰性材料中的一种；隔膜为nafion膜，选取nafion117、nafion115、nafion212、nafion211中的一种。

技术总结一种高稳定铁铈液流电池及电解液的制备方法，属于液流电池技术领域。正负极电解液分别为铈盐与铁盐，与氨基三乙酸，乙二胺四乙酸、反式‑1.2‑环己二胺四乙酸、1,3‑丙二胺四乙酸、N‑(2‑羟乙基)乙二胺‑N,N',N'‑三乙酸、亚氨基二乙酸、亚氨基二琥珀酸、琥珀酸、N,N'‑乙二胺二琥珀酸、天冬氨酸或其衍生化学品配位形成配位化合物的水溶液。所述正负极电解液采用相同且等量螯合剂、支持电解质制备而成，维持正负极电解液酸碱性的匹配度；加入辅助电解质，有助于减少正负极电解液的粘度差异，减少水的跨膜迁移，提高电导率。所选的螯合剂与铁、铈的结合保持稳定，抑制活性物质的跨膜运输，减少不同电解液间的离子交叉污染，同时减少副反应的发生。且价格便宜，在较低成本下有效提高铁铈液流电池的充放电性能、循环寿命。技术研发人员：孙振宇,周成喜,杨家辉,王洁欣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：2025/1/6