[发明专利]一种吡咯啉/烷氮氧自由基类化合物水系有机液流电池

说明书

一种吡咯啉/烷氮氧自由基类化合物水系有机液流电池，以铜板为集流体；电解质为中性的水盐溶液；2片具有蛇形流道的石墨板作为正极液和负极液的流场板；以石墨毡或碳纸作为反应电极，正负反应电极中间以阴离子交换膜相隔，以还原态的吡咯啉/烷氮氧自由基及其衍生物作为正极有机活性物质；以紫罗精及其衍生物或锌中的一种作为负极活性物质；本发明中所采用的吡咯啉/烷氮氧自由基类活性物质，在中性水溶液中表现出良好的氧化还原可逆性及快速的反应动力学特性，在与合适的负极进行搭配后，电池性能优异、活性高、安全性能好，在对风能、太阳能的高效安全存贮要求日益提升的今天，有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于可再生能源存储技术领域，特别涉及一种吡咯啉/烷氮氧自由基类化合物水系有机液流电池。

背景技术：

随着石油和煤炭等传统化石燃料的日益消耗，日益严峻的能源危机逐渐引起人们的关注。此外，化石燃料燃烧产生的硫化物，氮氧化物以及温室气体的排放会引起诸多问题，例如环境恶化以及全球变暖等。使用可再生能源替代传统的化石能源被认为是解决这些问题的方案之一。在已知的可再生能源中，风能和太阳能由于其丰富的储量、较好的可得性和可利用性，使用前景明朗。为了克服由风能和太阳能的固有间歇性引起的电网不稳定性，调和需求和获得能量的波峰波谷之间的差异性，具有高能量密度，低成本，高可扩展性和安全性的氧化还原液流电池被视为解决这一问题的方案之一。

典型的液流电池主要包括储液罐，电池堆和泵。正极电解液、负极电解液分别存储于储液罐内，用泵进行推进传导。两电解液通过管道各自循环，交汇于隔膜两侧，在隔膜两侧的电极发生氧化还原反应，正负两电极连通于电源负载，电路传递电子，隔膜传递正负离子，形成回路。

与使用有机电解液的有机系氧化还原液流电池相比，水系氧化还原液流电池具有更高的离子电导率，因此它们可以允许更高的电流密度，从而满足快速输入和输出的需求。传统的水系氧化还原液流电池使用无机物质作为活性材料，例如全钒和溴化锌等。然而，由于高成本、较低的能量密度和腐蚀性，无机活性材料的使用受到限制。水系有机氧化还原液流电池将能量存储在多种低成本的氧化还原活性有机材料中，具有解决上述问题的潜力。最近已经报道了一些出色的高性能水系有机氧化还原液流电池，然而大多数工作是关于负极氧化还原活性材料，例如醌类材料，噁嗪，吩嗪和紫罗精及其衍生物。关于正极氧化还原活性材料，特别是在没有腐蚀性或有害电解质、更安全的中性体系中使用的，基本聚焦在2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基(TEMPO)及其衍生物。由于TEMPO具有0.6V(vs.Ag/AgCl)的高氧化还原电势，因而有望作为正极氧化还原活性材料。近年来，高性能的TEMPO衍生物作为正极活性物质被不断报道。与低水溶性TEMPO相比，在4取代位置接枝不同亲水基团的TEMPO衍生物可以提高溶解度和氧化还原电位，例如–OH，-SO₃^-，-N(CH₃)₃⁺，-O(CH₂)₃N⁺(CH₃)₃，匹配成全电池后，能够产生高能量密度。然而，受TEMPO本身六元杂环结构的限制，由更换取代基所带来的氧化还原电势的增加是有限的。为了获得更高密度的水系有机氧化还原液流电池，必须找到可以从本质上增加氧化还原电势的新得正极活性物质。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种吡咯啉/烷氮氧自由基类化合物水系有机液流电池，该电池具有安全，成本低，电化学性能好的特点。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种吡咯啉/烷氮氧自由基类化合物水系有机液流电池，以铜板为集流体；电解质为中性的水盐溶液；2片具有蛇形流道的石墨板作为正极液和负极液的流场板；以石墨毡或碳纸作为反应电极，正负反应电极中间以阴离子交换膜相隔，其特征在于，以还原态的吡咯啉/烷氮氧自由基及其衍生物作为正极有机活性物质；以紫罗精及其衍生物或锌中的一种作为负极活性物质。