一种水系电解液及其在碱性锌基液流电池中的应用

本发明属于电化学储能，具体涉及一种水系电解液及其在碱性锌基液流电池中的应用。

背景技术：

1、随着社会的发展，人类对能源的需求量逐渐增加，但是化石能源等不可再生能源逐渐枯竭，而可再生能源如风能、太阳能、潮汐能等，由于其可再生性、环境友好等特点得到广泛的关注。然而，可再生能源发电具有不连续性、不稳定性、不可预测性等特点严重阻碍了其广泛应用，而储能技术是实现可再生能源能源安全平稳供电重要支撑。在储能技术中有物理、化学储能，其中化学储能应用更加广泛，而电化学储能是化学储能中最为普遍的储能装置。在电化学储能中，液流电池储能技术由于其具有能量密度、功率密度可独立、灵活设计、安全可靠、环境友好、地理限制小等特点在大规模储能领域具有广泛的应用前景。锌基液流电池由于资源丰富、价格低廉、动力学高等特点在储能领域中得到广泛的关注。而碱性锌基液流电池具有高开路电压、高功率密度、电解液成本低等特点在储能领域中具有较好的发展前景。

2、目前碱性锌基液流电池负极侧的锌盐或/和锌的氧化物在强碱中溶解后生成zn(oh)42-后在电极上发生沉积溶解的电化学反应，正极发生的是fe(cn)63-/fe(cn)64-的氧化还原反应。电解液具有成本低、黏度低、离子传导率高等优点，并且电池的开路电压可达1.77v，可常温、常压运行，安全性好，体系对环境无污染。但是，锌基液流电池中电解液的迁移以及负极锌枝晶的生长与脱落降低了循环稳定性，制约了其进一步的应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种水系电解液及其在碱性锌基液流电池锌负极方面的应用。通过在锌盐的水溶液中添加适量的胺类有机溶剂构成混合电解液，在不影响电解液离子电导率的情况下有效缓解电解液迁移，并且优化锌离子在电解液中的溶剂化状态，从而改善锌沉积形貌，提高循环稳定性。在此基础上，还可将该混合电解液延伸适用于其它锌基液流电池中。

2、为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种水系电解液，所述电解液的溶质为锌离子，添加剂为胺类有机溶剂，所述的胺类有机溶剂选自羟乙基乙二胺、n-异丁基乙二胺、三乙醇胺、n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺中的任意一种或两种以上的混合物；优选为n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺与三乙醇胺中的任意一种或两种的混合物。

4、进一步地，所述的电解液中添加剂的浓度为0.005-0.1mol l-1，优选为0.005-0.015mol l-1。

5、进一步地，所述的电解液中锌离子的浓度为0.1-2.0mol l-1，优选为0.3-1.0moll-1。

6、进一步地，所述的锌离子的来源包括氧化锌、硫酸锌、氯化锌、硝酸锌、乙酸锌、磷酸锌、三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、双乙二酸硼酸锌，优选为氧化锌。

7、本发明另一方面提供上述水系电解液和/或添加剂在碱性锌基液流电池或碱性锌基二次电池中的应用。

8、进一步地，所述水系电解液和/或添加剂应用于碱性锌基液流电池负极电解液中，能够降低碱性锌基液流电池锌负极的电解液的迁移。

9、进一步地，所述的碱性锌基液流电池主要由正极、离子传导膜和锌负极构成。

10、进一步地，正极和负极的电极材料选自石墨毡或碳毡，优选碳毡。

11、进一步地，离子传导膜选自离子交换膜、多孔膜中的一种，优选离子交换膜。

12、进一步地，所述的碱性锌基二次电池包括锌铁电池、锌镍电池、锌锰电池、锌银电池。

13、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

14、1.本发明提供的水系电解液具有较高的离子电导率，保持了电池的优良性能并能较好的缓解电解液迁移与锌枝晶的生长，有效的提高了电池的循环稳定性。

15、2.随着循环的进行，电解液迁移现象逐渐严重，负极电解液减少，因而活性物质不足，电池极化增大，当循环时间大于90小时，电池基本无法运行；与之相比，在常用的负极电解液中加入少量n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺或三乙醇胺添加剂，便可显著缓解电解液迁移，并可以整平锌负极沉积形貌，保持电池的优异性能和提高电池循环稳定性。

16、3.本发明提供的水系电解液由于胺类分子的引入，可以与水形成新的氢键网络，打破水之间原有的氢键网络，缓解电解液的迁移。

17、4.本发明提供的水系电解液由于胺类分子的引入，锌离子溶剂化结构得以优化，在碳毡表面吸附作用增强，使其在碳毡上沉积的更加致密均匀，减少锌枝晶的生成。

18、5.本发明提供的水系电解液所添加的胺类有机物如n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺成本低廉，环保安全。

技术特征：

1.一种水系电解液，其特征在于，所述水系电解液的溶质为锌离子，添加剂为胺类有机溶剂，所述的胺类有机溶剂选自羟乙基乙二胺、n-异丁基乙二胺、三乙醇胺、n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺中的任意一种或两种以上的混合物；优选为n,n,n’n’-四羟乙基乙二胺与三乙醇胺中的任意一种或两种的混合物。

2.根据权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，所述的水系电解液中添加剂的浓度为0.005-0.1mol l-1，优选为0.005-0.015mol l-1。

3.根据权利要求1所述的水系电解液，其特征在于，所述的水系电解液中锌离子的浓度为0.1-2.0mol l-1，优选为0.3-1.0mol l-1。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水系电解液，其特征在于，所述的锌离子的来源包括氧化锌、硫酸锌、氯化锌、硝酸锌、乙酸锌、磷酸锌、三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌、四氟硼酸锌、六氟磷酸锌、双乙二酸硼酸锌，优选为氧化锌。

5.权利要求1-4任一项所述的水系电解液和/或添加剂在碱性锌基液流电池或碱性锌基二次电池中应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述水系电解液和/或添加剂应用于碱性锌基液流电池负极电解液中，能够降低碱性锌基液流电池锌负极的电解液的迁移。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的碱性锌基液流电池主要由正极、离子传导膜和锌负极构成。

8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，正极和负极的电极材料选自石墨毡或碳毡，优选碳毡。

9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的离子传导膜选自离子交换膜、多孔膜中的一种，优选离子交换膜。

10.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的碱性锌基二次电池包括锌铁电池、锌镍电池、锌锰电池、锌银电池。

技术总结
本发明公开了一种水系电解液及其在碱性锌基液流电池中的应用，属于电化学储能技术领域。通过在锌盐的水溶液中添加适量的胺类有机溶剂构成混合电解液，在不影响电解液离子电导率的情况下有效缓解电解液迁移，并且优化了锌离子在电解液中的溶剂化状态，从而改善锌沉积形貌，提高循环稳定性。该混合电解液还可适用于其它锌基液流电池中，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：李先锋,袁治章,智莉平
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13