[发明专利]一种钒电池充电状态的检测方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种基于光谱型表面等离子体共振检测技术的钒电池充电状态的检测方法和装置。

背景技术

发明于上个世纪八十年代（J. Electrochem. Soc. 1986, 133:1057）的全钒氧化还原液流电池（vanadium redox flow battery, 简称VRB或钒电池）具有易规模化、使用寿命长、环境友好等优点，在储能技术领域广受关注。

钒电池中，正负极中的工作物质都是含有钒离子的电解液。充电过程中，正极的+4价钒离子转变为+5价钒离子，负极中的+3价钒离子转变为+2价钒离子；放电过程反之。钒电池中正负极电解液由一种特殊的离子交换膜隔开。理想状况下，钒电池正负极电解液的价态改变相同，平均价态不变。

理论上钒电池具有很长的使用寿命，但是实际使用中，由于存在各种副反应和钒离子对离子交换膜的渗透等原因，正负极电解液存在价态和浓度的失衡，从而导致钒电池的容量越来越小。为了解决这一问题，需要能够实时在线检测钒电池的充电状态（state of charge, SOC）的方法，掌握失衡程度，从而能够在钒电池状态不理想时对系统进行调整。

现有的钒电池的充电状态的检测方法主要有开路电压法、电位滴定法、色谱法和分光光度计法，但是均不适合实时在线检测钒电池的充电状态：开路电压法不能够检测失衡状态的钒电池；电位滴定法和色谱法步骤较复杂，检测时间长；分光光度计法很难检测钒电池中的高浓度（一般达到2mol/L）电解液（Journal of Power Sources 2011, 196: 8822–8827）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术均不适合钒电池的充电状态的在线检测的不足，提出一种钒电池充电状态的检测方法及其装置。

本发明的构思是：表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术是一种高灵敏的光学检测技术，已经应用于生物、化学、环境等许多领域的（Handbook of Surface Plasmon Resonance, Royal Society of Chemistry, 2008）。SPR技术具有检测速度快、灵敏度高的优点，非常适合各种物质含量的在线检测，但是目前还没人把SPR技术应用于钒电池的充电状态的检测上。本发明使用光谱型SPR技术测量钒电池的电解液，再通过事先建立的电解液的SPR传感器输出量（SPR共振波长或电解液折射率）与充电状态的关系确定出钒电池的充电状态，具体技术方案如下：

一种钒电池充电状态的检测方法，包括如下步骤：

（1）用光谱型表面等离子体共振传感器检测所述钒电池的电解液，得到所述电解液的表面等离子体共振光谱信息，并计算得到所述电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率；

（2）通过预先建立的各种参数下电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率与充电状态关系的数据库查询或计算得到所述钒电池的充电状态。

优选地，所述步骤（2）中的参数为总钒离子浓度、钒离子种类和酸度中的至少一种，所述数据库的建立包括如下步骤：

（2.1）配置一定参数下的钒电池电解液；

（2.2）用光谱型表面等离子体共振传感器检测不同充电状态下步骤（2.1）中钒电池电解液的表面等离子体共振光谱信息；

（2.3）计算并存储步骤（2.1）中的参数下钒电池充电状态同电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率的关系；

（2.4）改变电解液的参数，重复步骤（2.1）~（2.3）直到检测并记录所需的全部参数下钒电池充电状态同电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率的关系。

优选地，所述光谱型表面等离子体共振传感器包括含有探测面的表面等离子体共振激发模块，所述步骤（1）和/或步骤（2）中电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率的获得包括如下步骤：

A、使钒电池的电解液接触所述表面等离子体共振激发模块的探测面；

B、使光源入射到所述探测面上，激发表面等离子体共振现象，所述光源为具有连续波段的光源、具有离散波段的光源和波段可调的光源中的一种；

C、获取所述电解液的表面等离子体共振光谱信息；

D、处理所述电解液的表面等离子体共振光谱信息，计算得到电解液的表面等离子体共振波长和/或折射率。