[发明专利]一种基于吡啶基吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池

说明书

本发明属于新能源领域，具体涉及一种基于吡啶吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池。本发明公开了一种以吡啶基吩嗪为负极活性材料的水系混合液流电池及制备方法，根据吩嗪在水系电解液中的电极电位、溶解度和氧化还原动力学性质的不同，将不同数目吡啶基共轭的吩嗪选作固体负极，以亚铁氰化钾为可溶性液流阴极，组装了基于吡啶基吩嗪固态阳极的水系混合液流电池。该混合液流电池展现了高功率密度和长循环寿命，兼顾了固体电池高能量密度和液流电池能量密度和功率密度分开设计的优点。

技术领域

本发明属于新能源领域，具体涉及一种基于吡啶基吩嗪的高功率长寿命的中性水系混合液流电池。

背景技术

随着工业化的发展，能源的需求越来越大。传统化石燃料日益枯竭，并且造成巨大的环境污染问题，开发清洁的可再生能源较为紧迫。由于太阳能和风能等可再生能源的间歇性，需要大规模储能系统来弥补供应短缺的问题。到目前为止，已经开发了各种技术，包括诸如压缩空气和泵送水力的物理方法，以及诸如可充电电池和再生燃料电池的电化学方法。水系氧化还原液流电池是可实现大规模储能的电池系统，在可再生能源利用领域有着广泛的应用前景。然而，能量密度低的问题是阻碍其进一步发展的关键因素。

目前，国内外主要还是在研究全水溶性的正负极电解质的液流电池，混合液流电池仍处于起步阶段。具有电活性的有机分子具有结构可设计性、大的理论容量，以及清洁、安全和潜在的低成本等优势，已成为一类极具发展潜力的电化学储能材料。因此，在实现低成本条件下大规模的电能储存上，使用电活性有机分子替代传统的氧化还原活性的金属物种代表了一种新的有前途的研究方向。但是，有机物仍然存在一些缺点，比如复杂的反应动力学，较多的副反应以及不确定的兼容性等问题，仍然需要进一步发展新型的电活性有机分子。

发明内容

本发明的目的在于：设计一种具有高功率密度和长循环寿命的水系混合液流电池。选取了具有高的负电极电位、电化学可逆性以及不溶性特征的固体负极材料吡啶基吩嗪，以亚铁氰化钾为阴极电解液，设计了一种具有高功率密度和长循环寿命的水系混合液流电池。该混合液流电池利用吡啶吩嗪的高比容量和电化学稳定性的优势，兼顾了固体电池的高能量密度和液流电池的能量密度和功率密度分开设计的优点。

为了实现上述目的，本发明设计了一种基于吡啶基吩嗪的高功率、长寿命的水系混合液流电池。

本发明采用的技术方案是：水系混合液流电池的正极为水溶性亚铁氰化钾，负极为高度不溶的固态吡啶基吩嗪电极材料，电解液为水系电解液。

水系电解液可以分别为酸性H₂SO₄、中性KCl或碱性KOH。其中，电解质的浓度在0.5-3 mol L^-1。

固态吡啶基吩嗪电极材料，具有高的负电极电位、电化学可逆性以及不溶性特征。

本发明提供的负极材料的具体制备步骤为:

（1）以吡啶基吩嗪为原料，加入石墨炔，共同分散于溶剂中，超声一定时间，接着将混合溶液静置一段时间，采用超声法制备具有π-π堆积作用的复合物材料。

其中，吡啶基吩嗪包含二吡啶并吩嗪、四吡啶吩嗪和3, 6-二(2-吡啶基)-1, 2,4, 5-四嗪中的一种。

分散吡啶基吩嗪和石墨炔的溶剂有甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙二醇、三氯甲烷、乙二醇/三氯甲烷的体积比为1:1或N-甲基吡咯烷酮等。

超声时间为0.5-6 h，静置时间为4-144 h。

超声能够使吡啶基吩嗪和石墨炔分散更好，静置的目的是使吡啶基吩嗪和石墨炔能够依靠π-π键复合。

所用石墨炔的比表面积为300 m² g^-1-2050 m² g^-1。