[发明专利]基于纳米材料的胶体液流电池

说明书

本发明提供了一种基于纳米材料的胶体液流电池，具体地，本发明提供了储能活性材料，所述的材料包括：(a)分散质；和(b)分散质盐溶液；所述的分散质和分散质盐溶液共同形成胶体，其中，所述的分散质为粒径1‑100nm的氧化还原活性材料。使用纳米尺寸的胶体材料作为正极或负极储能活性物质，制备得到的胶体材料化学稳定性好，将其应用于水系液流电池，表现出良好的长时充放电循环能力，具有较好的循环稳定性和能量效率。

技术领域

本发明属于液流电池储能技术领域。使用具有氧化还原活性的纳米材料作为储能活性物质，材料在溶液中分散为胶体，并研究其在胶体液流电池中的应用。

背景技术

当前移动设备、智能电网和新能源利用对于电化学储能提出了越来越高的要求。传统能源(例如煤和石油)不可再生，且造成严重的污染，难以构建可持续发展的能源和社会体系。基于此，包括太阳能、风能在内的多种清洁能源不断发展，实现了大规模应用，但是这类能源具有强波动性和间歇性，不仅需要储能设备在成本和安全性方面具有优势，更是对其可靠性提出了更高的要求，例如储能设备需要有削峰平谷的能力，即用电低谷储能，高峰输能，以保障电网的稳定性的同时提高清洁能源的利用率。

在众多的储能体系中，液流电池在成本、安全性以及可靠性方面都有望应用在固定式大规模储能体系中。自1974年提出氧化还原液流电池的概念以来，研究者们已经制造和开发了多种液流电池体系，根据电解液性质的不同可分为水系和非水系(有机溶剂)液流电池。水系液流电池所使用的水溶液相比于非水系有机溶剂在安全性、毒性以及成本方面都具有不可比拟的优势，更适合于大规模的储能电站。当前在水系电解液中，氧化还原活性物质溶解度往往不超过1M，且可溶性材料种类有限，一定程度限制了其体积能量密度，也限制了传统水系液流电池的研究和发展；另一方面，传统液流电池需要较为昂贵的离子选择性透过膜，阻隔溶解的氧化还原阴(阳)离子，同时导通阳(阴)离子以平衡体系的离子浓度，选择性透过膜的成本占到了液流电池成本的20％以上。

很多应用于固态电池的不溶性材料在水溶液中具有合适的电化学电位，且这类材料价格低廉，具有很大的成本优势，例如锰氧化合物，普鲁士蓝衍生物，磷酸盐类化合物等。但此类材料在目前的水系液流电池中无法发挥材料本身的优势，一方面大体积的不溶性材料容易堵塞孔道，需要设计特殊的流道；另一方面这类不溶性材料在水溶液中导电性较差，导致其具有很慢的电子转移和传质过程，难以发挥其实际容量。若在液流电池中使用纳米材料在水溶液中形成胶体，可以避免管道的堵塞，加快材料内部与溶液的电子转移和传质速率，有机会突破普通材料溶解度要求带来的容量限制，提高液流电池的体积能量密度；此外在电池装置中可使用价格低廉的透析膜，甚至是滤纸，可大大降低液流电池的成本。

综上所述，本领域迫切需要开发一种新型的基于纳米材料的胶体液流电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的基于纳米材料的胶体液流电池。

本发明的第一方面，提供了一种液流电池，所述的液流电池具有储能活性材料，且所述的材料包括：

(a)分散质；和(b)分散质盐溶液；所述的分散质和分散质盐溶液共同形成胶体；

其中，所述的分散质为粒径1-100nm的氧化还原活性材料；所述的分散质盐溶液为可溶性盐的水溶液。

在另一优选例中，所述的胶体分散质的粒径为10-80nm。

在另一优选例中，所述的活性材料还包括：(c)碳基材料，且所述的胶体分散质附着于所述的碳基材料上。

在另一优选例中，所述的碳基材料选自下组：碳纳米管、炭黑、石墨烯。

在另一优选例中，所述的碳基材料的粒径为1-100nm。

在另一优选例中，所述的胶体分散质具有如下式所示的结构：