[发明专利]一种基于三元低共熔溶剂的液流电池

说明书

本发明属于电化学储能中的液流电池技术领域，公开了一种基于三元低共熔溶剂的液流电池。通过在二元低共熔溶剂的基础上，增加一种中性氢键供/受体，构成三元低共熔溶剂，对氢键供体与氢键受体之间电负性差异、空间结构位阻、氢键的键长的微观调节，重构二元氢键网络结构，搭建了一个更适合氧化还原对的低共熔溶剂体系。该溶剂体系的化学物理性质得到改善后的具体表现为：显著降低了低共熔溶剂体系的粘度和电化学阻抗。最关键的一个优势是：在加入氧化还原对后，氧化还原对处于自由态而非超分子复合物，在液流电池中表现出良好的输运性能。

技术领域

本发明属于电化学储能中的液流电池技术领域，具体涉及一种基于三元低共熔溶剂的液流电池，提高了液流电池电化学性能。

背景技术

可再生能源发展存在电力输出不连续不稳定的缺陷需要高效、低成本的储能系统来解决。液流电池由于具有可以独立设计能量和功率密度等优势被认为是大规模储能技术中最具前景的技术。近年来，液流电池在关键材料诸如电解液、离子交换膜、双电极极板、电对等方面不断取得进步，其中由Skyllas-Kazacos等人提出的全钒液流电池的研究已经较为成熟，进入商业化应用阶段。但是，电解液中昂贵的钒材料价格对未来电池发展将是一大限制因素。

电解液是将氧化还原对溶解在溶剂中获得的，是液流电池能量密度的决定因素。近来电解液在溶剂体系的发展从原来的水系开始走向非水系，解决了电化学窗口较窄引发的析氧/氢副反应对电池开路电压和稳定性的问题，使得氧化还原对的选择更加灵活，溶解度得以提高，从而使液流电池具备了更高的能量密度。非水系溶剂主要包括有机溶剂和离子液体，其中有机溶剂的毒性和易燃性，离子液体的成本问题限制了液流电池大规模的应用。低共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES)可看做是一种环境友好型的绿色溶剂，其成本低廉，又兼具离子液体低毒，低挥发等优势近来备受关注。低共熔溶剂是由一定化学计量比的氢键受体(如季铵盐)和氢键供体(如羧酸和多元醇等)组合而成的低共熔混合物。然而低共熔溶剂较大的粘度使得传输阻力过大，其扩散系数小，活性离子在液流电池中的传输效率有待改善。

通过学科交叉，低共熔溶剂在萃取领域中，氧化还原对参与了三元低共熔溶剂的合成，参与了氢键网络的重构。然而，在液流电池领域，氧化还原对作为活性物质迁移传递能量，按照萃取领域的研究，迁移的氧化还原离子参与搭建氢键网络，形成超分子复合物，对于离子的迁移有极大阻力。基于此，本发明引入了一种中性氢键供/受体来探索重构氢键网络，提供了一个降低氧化还原对的迁移阻力的溶剂环境。

发明内容

针对上述问题分析，本发明的目的旨在提供一种三元低共熔溶剂用于提高液流电池电化学性能的方法，在二元低共熔溶剂的基础上，增加一种中性氢键供/受体，通过对氢键供体与氢键受体之间电负性差异，空间结构位阻，氢键的键长大小的微观调节，重构氢键网络结构，为氧化还原对搭建一个更合适氧化还原对迁移的溶剂体系，从而提升液流电池性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于三元低共熔溶剂的液流电池，包括离子交换膜，石墨集流板，正、负极电极，正、负极电解液，正、负极电解液的溶剂均为三元低共熔溶剂，所述三元低共熔溶剂由氢键供体、氢键受体和第三种中性氢键供体或受体混合制得的。

所述氢键受体为氯化胆碱，所述氢键供体为乙二醇，所述第三种中性氢键供体或受体为碳数为1～6的中性短链醇或水；

进一步地，所述第三种中性氢键供体或受体为甘油。

所述液流电池中的正极电解液的溶质为Fe²⁺，Fe³⁺，Mn²⁺，Mn³⁺，VO₂⁺，VO²⁺或其离子的络合物中的一种，且充电的初始状态电解液中存在活性物质为低价态。