液流电池

1液流电池黎丹157238272文献阅读一3目录1引言2电池结构与性能3电池循环行为4半电池测量与理论计算5使用醌的优点4引言液流电池的优点液流电池应用方向响应速度快风力发电低成本安全性高可瞬间充电寿命长效率高容量大功率大军用蓄电分布电站UPS电源通讯基站交通市政电网调峰光伏发电能源和环境问题的日益加剧使得太阳能、风能等可再生能源发电技术进入一个新的发展阶段。然而随着越来越多的可再生能源嵌入智能电网，可再生能源的间歇性与电网稳定性的矛盾日益凸显。目前储能技术尚不成熟，成为新能源电网系统中的薄弱环节。开发安全、环保、低成本的储能电池是发展可再生能源科技和改善电网稳定性的关键5引言可再生能源的发展，储能能力重要性突出固态电极电池放电时间短，不能很好调节风能、太阳能的输出液流电池以液体形式维持电活性物质的种类，可以独立衡量系统组件的功率和能量大规模液流电池的发展受使用材料的成本和含量的限制利用有机物醌类作为电能储存材料6电化学原理本实验采用的蒽醌-溴液流电池只是将电解液活性物质进行了改进（一般来说是钒、铬等拥有多个高价态的有毒金属离子化合物），而主要原理仍是通过泵将储罐中的正负极活性物质运送至相应电极表面进行反应后再回到储罐中循环使用。因此液流电池的含能物质是电解液中的活性物质，而普通二次电池是在电极表面或内部（典型的如钴酸锂、镧系储氢合金等），这个特性使得液流电池的容量不再受制于电极物质，只要循环的电解液流足够多，理论上容量也会无限扩展。而且液流电池也具有循环性能好，可靠性安全性高等优势，所以成为了目前大型储能装置及电网调控系统的重点研究方向。实验原理Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodes醌溴液流电池结构7质子交换膜：由于正负极采用了不同的电解液体系，但仍需保证两极间的H+离子运输（酸性体系蒽醌采用稀硫酸溶解，PH≤1），因此隔膜采用了常见的质子交换膜，可以选择性的透过H+。传质机械：采用的是非接触式的蠕动泵，具有可输送腐蚀性液体的优点。蠕动泵的原理是运用一套摆线行星轮的转动，对耐腐蚀橡胶管内的液流进行不间断推挤，以此达到输送液流的目的，即工业上所谓的体积式泵。（如下图，行星轮顺时针旋转）装置原理蠕动泵原理示意图Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodes这种泵的特性是流体压强呈脉冲状变化，而不同于真空泵、离心泵等能够保持恒定的压强，但是这个特点对于本实验中的液流电池影响并不大，除此之外反而更有利于通过泵的转速计算流量（蠕动泵每转动一圈，所运送的液流体积是一定的，波动很小）8中压随转速变化效率随转速变化容量随转速变化转速容量之间呈近似线性关系，随着转速增大容量也越大，因此转速的提高是通过加强电解液和电极间的传质作用来提升容量，使反应更加完全（未反应的活性物质粒子数量变少）。但是也能发现在较高转速下增长趋势放缓，说明此时反应效率已趋近极限，电池容量不可通过提高转速而无限制提升。转速对效率的提升影响较为明显，原因可能是流速的增加相当于对电解质溶液的充分搅拌，使得活性物质粒子充分反应参与充电与放电反应的粒子数量基本相抵但是当转速高于75rpm时，效率不再上升，说明此时搅拌作用的效果已经饱和。转速对放电中压的提升效果不太明显，可认为图中显示的略微上升趋势是通过流速对电解液的搅拌作用，降低了扩散层厚度δ，从而提高了极限扩散电流密度jd对转速影响性能的研究Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodes9CellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodesAQDSH2referstothereducedformofAQDS.10Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodespotential–currentresponseb,Cellpotentialversuscurrentdensityatfivedifferentstatesofcharge(SOCs;averageofthreeruns);insetshowsthecellopencircuitpotentialversusSOCwithbest-fitlinesuperimposed(Eeq5(0.002683SOC)10.670;R250.998)11Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodespotential–powerrelationshipc,GalvanicpowerdensityversuscurrentdensityforthesameSOCs.12Cellschematicandcellperformanceingalvanicandelectrolyticmodesd,Electrolyticpowerdensityversuscurrentdensity.13CellcyclingbehaviourFigureashowscyclingdataat+（-）0.2A/cm2using50%ofthetotalcapacityofthebatterya,Constant-currentcyclingat0.2A/cm2at40℃usinga2MHBr+0.5MBr2solutiononthepositivesideanda0.1MAQDS+2MH2SO4solutiononthenegativeside;currentefficiencyisindicatedforeachcompletecycle.14CellcyclingbehaviourFigurebshowsconstantcurrentcyclingdata,collectedat+（-）0.5A/cm2,usingvoltagecut-offsof0Vand1.5Vb,Constant-currentcyclingat0.5Acm22at40uCusinga3MHBr+0.5MBr2solutiononthepositivesideanda1MAQDS+1MH2SO4solutiononthenegativeside(samesolutionusedinFig.1);dischargecapacityretentionisindicatedforeachcycle.15Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsCyclicvoltammogramofAQDSandDHAQDSd,CyclicvoltammogramofAQDSandDHAQDS(1mM)in1MH2SO4onaglassycarbonelectrode(scanrate=25mV/s).16Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsRotationofthisdiskatavarietyofratesyieldsmass-transport-limitedcurrentsa,Rotatingdiskelectrode(RDE)measurementsofAQDSusingaglassycarbonelectrodein1MH2SO4at11rotationratesrangingfrom200r.p.m.(red)to3,600r.p.m.(black).17Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsCellpotentialversuscurrentdensityatfivedifferentstatesofchargeb,Koutecky´–LevichplotderivedfromaatsevendifferentAQDSreductionoverpotentials,n.18Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsAQDS:best-fitlinehastheequationy=62(x+4.32).AQDS:best-fitlinehastheequationy=62(x+4.32).Thisyieldsa=0.474(2)andk0=7.2(5)x10-23cm/s.19Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsPourbaixdiagram(E0vspH)ofAQDS.Pourbaixdiagram(E0vspH)ofAQDS.Dataarefittedtothreesolidlinesindicatingslopesof259mV/pH,230mV/pHand0mV/pH,correspondingtotwo-,one-andzero-protonprocesses,respectively.Dashedlineslinearlyextrapolatetheone-andzero-protonprocessestogiveE0valuesof18mV(2e-/1H+)and-226mV(2e-/0H+).20Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsQuantumchemicalcalculationsofun-substitutedandhydroxysubstitutedAQDSc,CalculatedreductionpotentialsofAQDSsubstitutedwith–OHgroups(black),calculatedAQDSandDHAQDSvalues(blue),andexperimentalvaluesforAQDSandDHAQDS(redsquares).21Half-cellmeasurementsandtheorycalculationsTheeffectof–OHsubstitutiononreductionpotentialandsolvationenergy.AQDSscreenedbytheoreticalcalculations22液流电池中醌的优点scalability:AQDScontainsonlytheEarth-abundantatomscarbon，sulphur，hydrogenandoxygen,andcanbeinexpensivelymanufacturedonlargescales.Becausesomehydroxy-anthraquinonesarenaturalproducts,thereisalsothepossibilitythattheelectrolytematerialcanberenewablysourced23液流电池中醌的优点kinetics:quinonesundergoextremelyrapidtwo-electronredoxonsimple,inexpensivecarbonelectrodesanddonotrequireacostlyprecious-metalcatalyst.Furthermore,thiselectrodepermitshigherchargingvoltagesbysuppressingtheparasiticwater-splittingreactions.24液流电池中醌的优点stability:quinonesshouldexhibitminimalmembranecrossoverowingtotheirrelativelylargesizeandchargeinaqueoussolutionasasulphonateanio