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一文了解钒液流电池电解液

时间:2024-06-25 来源:小编 点击:

一文了解钒液流电池电解液 液流电池的工作原理决定了其是目前电化学储能技术路线中安全性较高的技术路线。与锂电池不同的是,液流电池的电解液与电堆是相分离的

一文了解钒液流电池电解液

      液流电池的工作原理决定了其是目前电化学储能技术路线中安全性较高的技术路线。与锂电池不同的是,液流电池的电解液与电堆是相分离的。在众多储能技术中,液流电池储能技术具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。国际上液流电池的种类主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池 4 种技术路线,今天我们来讲讲液流电池的电解液。

全钒液流电池电解液

       全钒液流电池电解液主要由两部分组成,正极VO²⁺/VO₂⁺电对和负极V²+/V³⁺电对。由于全钒液流电池电解液活性物质仅由钒一种元素组成,可有效地避免电解液正负极互异元素间的交叉污染,使电池运行寿命延长,理论上可以永久循环使用,使得其在液流电池技术中脱颖而出,成为当前液流电池研究的热点,成功实现大规模商业化示范并不断开拓应用市场。

产业化电解液制备方法

        电解液制备方法主要有化学还原法、电解法、化学还原联合电解法这三种,产业化生产主要采用化学还原法和化学还原联合电解法。

        1、化学还原法

        化学还原法是将高价钒化合物(V₂O₅、NH₄VO₃等)在亚硫酸、草酸、还原性气氛等还原剂的作用下还原至低价态的钒离子,常用溶剂为硫酸水溶液。传统的化学还原法是将含钒化合物溶于硫酸中后加入还原剂,将钒离子由高价态还原至3.5价,其优点为工艺设备较简单,但缺点是反应速率较慢,需在浓硫酸中持续加热才能反应完全。

        2、电解法

        电解法是以高价态的钒化合物(如V₂O₅、NH₄VO₃等)为原料,在电解槽中通过电解将高价态钒还原至所需的低价态钒,即负极加入高价态的含钒化合物的硫酸溶液,正极加入相匹配浓度的硫酸溶液,在恒流或恒压下电解,制备低价态的钒离子电解液。

        3、化学还原联合电解法

        目前,产业化生产采用的化学还原联合电解法第一步是先将五价钒离子化学还原成四价钒离子,再将四价钒离子的硫酸溶液电解至三价钒电解液。

钒电解液性能优化进展

        电解液是全钒液流电池的能量储存介质,电解液的性能直接影响着电池的综合性能。

        电解液中不同价态钒离子的稳定性各不相同——V²⁺、V³⁺和VO²⁺在硫酸溶液中的溶解度随着温度的升高而增大,而VO²⁺在硫酸溶液中的溶解度则随温度的升高而减小,因而V²⁺、V³⁺和VO²⁺在低温工况下容易析出钒化合物,尤其是V³⁺在低温工况下易析出V₂(SO₄)₃,而VO²⁺易在高温环境下析出V₂O₅,由此使得传统全钒液流电池的工作温度范围较窄,一般为10~40℃。

         1、制备新的混酸支持体系

        除了基于传统的以硫酸作为支持电解质的全钒液流电池电解液性能改善以外,美国太平洋西北国家实验室在2011年开发了由硫酸和盐酸混合共同作为支持电解质的混合酸体系金属钒储能介质。

        据报道,该储能介质中的金属钒离子总浓度达到2.5 mol/L,相比传统硫酸体系,钒储能介质能量密度增加了约70%以上;同时,核磁共振测试结果表明,混合酸体系中的氯离子可通过络合作用形成VO₂Cl(H₂O)₂,有效改善金属钒离子的稳定性。

        2、引入适配的添加剂

      (1)无机溶剂

        碱金属盐类如草酸盐、硫酸盐、磷酸盐等常被用作提高全钒液流电池V⁵⁺电解液热稳定性的无机添加剂。

        罗冬梅等将Na₂C₂O₄、Na₂SO₄、K₂SO₄等作为全钒液流电池电解液的添加剂,发现含3%添加剂的电解液具有最好的稳定性,同时发现适量的添加剂可提高电解液的电导率和电化学活性。

      (2)有机溶剂

        表面活性剂和含—OH和—NH₂等官能团的有机物通常作为全钒液流电池电解液的有机添加剂,以提高电解液的热稳定性和化学活性。

        由于表面活性剂具有协同扰动、氢键作用、胶束催化等特点,可广泛用于电解液的性能改善。

        KIM等研究了甲基磺酸(MSA)作为添加剂对钒电池电解质热稳定性和电化学性能的影响,结果表明,在40°C时添加MSA的五价钒电解液的浓度较高,MSA延缓了沉淀物的形成,电化学分析显示MSA加快了三价钒离子和四价钒离子的扩散以及氧化还原反应速率,提高了全钒液流电池的能源效率和电解质利用率。

        李道玉等将1%~5%的马来酸酐、丙烯酰胺和丙三醇添加到全钒电池电解液中后,电解液的稳定性得到显著提升。研究认为添加剂中含有的羧基官能团能够与电解液中的钒离子螯合,同时含有的氨基官能团能够通过强吸附作用吸附电解液中的钒离子,二者协同作用能够有效地阻止五价钒离子的自聚,从而防止其沉淀。

结论与展望

        目前,产业化的全钒液流电池电解液市场呈现化学法和化学还原联合电解法两种工艺并行的态势。已经产业化的化学法全钒液流电池电解液生产企业主要有湖南银峰,采用化学还原联合电解工艺的全钒液流电池电解液生产企业主要有川威集团等。

       与硫酸体系相比,虽然一定浓度的盐酸-硫酸混酸支持电解液体系可提高钒离子在高浓度和高温度下的稳定性,但盐酸对全钒电池系统组件的腐蚀性依然没有从根本上解决,产业化应用还有较长的路要走。

       众多企业研发人员和学者在电解液添加剂方面做了大量的研究,但关于添加剂对电解液制备成本的影响以及参与钒电池长周期稳定运行的工程应用数据鲜有提及,因此,研究者还需进一步地开展经济分析和系统的研究测试,从更宏观的技术和工程应用层面通盘考虑添加剂的适用性。

       钒电解液企业布局及项目进展

       现阶段电解液生产技术壁垒仍较高,参与布局的企业主要有大连融科、钒钛股份、河钢股份、星明能源、五洲矿业、江西银汇、湖南汇峰、湖南银峰、广西联储新材料等。

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文章来源:万象时代液流电池、亚化储能