CN112952123A - 一种采用过硫酸盐处理的电极及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用过硫酸盐处理后的电极及其在锌铁液流电池中的应用，将电极材料浸泡于过硫酸盐的水溶液中处理，与原未经处理的电极材料相比，该电极材料具有更高的电极活性，可有效的提高电池的电导率，进而提高电池的循环性能与电池效率，同时大幅提高了电池的充放电容量与能量密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用过硫酸盐处理后正极的锌铁液流电池。
背景技术
液流储能电池是一种电化学储能新技术，与其它储能技术相比，具有能量转换效率高、***设计灵活、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、安全环保、维护费用低等优点，可以广泛应用于风能、太阳能等可再生能源发电储能、应急电源***、备用电站和电力***削峰填谷等方面。碱性体系锌铁液流电池由于安全性高、稳定性好、寿命长(寿命>15年)、成本低等优点，被认为是具有很高发展潜力的一种液流储能电池。
目前，制约碱性体系锌铁液流电池商业化的主要限制就是成本问题。要降低其成本，主要解决方法有两个：一为降低各关键材料的成本，如离子交换膜、电解液、电极双极板的成本；一为提高电池的功率密度。因为提高电池的功率密度，就可以用同样的电堆实现更大的功率输出，而且还可以减少储能***的占地面积和空间，提高其环境适应能力及***的可移动性，扩展液流储能电池的应用领域。而要提高电池的功率密度，就要提高其工作电流密度。然而，工作电流密度的提高会导致电压效率和能量效率的降低。为了在不降低能量效率的前提下提高电池的工作电流密度，就需要尽可能地减小电池极化，即欧姆极化、电化学极化和浓差极化，降低电压损耗。
电极作为碱性体系锌铁液流电池的关键部件之一，其性能对液流储能电池的影响极大。现有技术中的碱性体系锌铁液流电池电极材料存在工序较多、生产成本高、电催化活性差等问题。而电极的电催化活性直接决定电化学反应的本征反应速率，在很大程度上影响着电池的工作电流密度和能量效率。因此，为了获得高的工作电流密度和能量效率，又要采用合适的活化方法来尽可能的提高电极材料的电催化活性。
发明内容
本发明目的在于克服现有锌铁液流电池用电极材料存在的问题，提供一种锌铁液流电池用电极。能够大大提高电极的反应活性和电导率，从而得到成本极其低廉、性能优异、适合碱性体系锌铁液流电池用的电极材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
将电极材料在温度为60～80℃下，先浸泡于过硫酸盐的水溶液中，浸泡0.5～24h后取出电极用水反复清洗待用；
浸泡体系中，过硫酸盐的水溶液终摩尔浓度为0.01～2mol/L；
其中，浸泡温度为60～80℃。
所述电极为碳毡、碳布或碳纸材料。
所述过硫酸盐为过硫酸钾或过硫酸钠中的一种或二种以上。
所述处理后电极应用于锌铁液流电池中。
锌铁液流电池为碱性锌铁液流电池或中性锌铁液流电池，优选碱性锌铁液流电池；负极为碳毡电极或锌电极。
本发明的有益结果：
(1)本发明制备的电极材料，其表面含氧官能团大幅度增加，作为电极材料提高电极活性，电导率大幅提高，进而降低碱性体系锌铁液流储能电池的内阻，大幅提高了电池运行效率。
(2)同时在锌铁液流电池体系中用作负极时，表面生成的含氧官能团可以作为锌沉积起反应活性位点，提高锌沉积的均匀性，抑制锌枝晶，从而能延长电池使用寿命。
(3)本发明拓展了碱性体系锌铁液流储能电池用电极材料的种类和使用范围。
该类电极材料制备方法简单，工艺环保，活性物质浓度高。与原电极材料相比，以该处理后的电极材料组装到的碱性体系锌铁液流电池具有更高的综合性能。
附图说明
图1为实施例1所制备的电极材料与对比例1在碱性体系锌铁液流电池中，在80mA/cm2的电流密度下的充放电性能对比。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
裁取适当大小6mm厚的碳毡，于80℃下先浸泡于0.5mol/L的过硫酸钾的水溶液中，12h后取出电极用水反复清洗，晾干备用。
利用制备的电极材料作为正负极、双极板为石墨板、离子交换膜为杜邦公司产的Nafion膜，有效面积为48cm2，组装碱性锌铁液流电池，电流密度为80mA/cm2。其中，正极电解液为含亚铁氰根离子(Fe(CN)6 4-)的碱溶液，其中亚铁氰根离子的浓度为1mol L-1，氢氧根离子的浓度为3mol/L；负极电解液为含锌酸根离子的碱溶液，其中锌酸根离子的浓度为0.5mol L-1，氢氧根离子的浓度为3mol/L；组装的碱性体系锌铁液流电池库伦效率(CE)为98.8％，电压效率(VE)为89.1％，能量效率(EE)为88.0％。电池寿命>100循环。
对比例1(正极未经处理)
与实施例1相比，将电极材料换为未处理的6mm碳毡，其他条件不变。电池库伦效率为88.6％，电压效率为83.3％，能量效率为73.8％。电池寿命<20循环。
与未处理的电极材料相比，利用本发明电极材料的碱性体系锌铁液流电池的库伦效率、能量效率以及电池的循环稳定性都有显著的提高。说明通过利用过硫酸钾水溶液浸泡来制备电极材料，有效地提高了电极材料的电导率和反应活性，进而提高了电池的运行效率。同时，处理后的电极材料也能抑制锌枝晶的生长，提高电池稳定性。
对比例2(电极材料利用硫酸处理)
与实施例1相比，将未处理的6mm碳毡于80℃下先浸泡于0.5mol/L的硫酸的水溶液中，12h后取出电极用水反复清洗，晾干备用，其他条件不变。经测试，电池库伦效率为91.6％，电压效率为83.7％，能量效率为76.7％。电池寿命<25循环。
与对比例1相比，利用硫酸处理的电极材料的碱性体系锌铁液流电池的库伦效率、能量效率以及电池的循环稳定性都有小幅提高，但与实施例1中本发明的电极材料组装的锌铁液流电池仍有巨大的差距。说明通过利用过硫酸钾水溶液浸泡来制备电极材料，能更高效地提高电极材料的电导率和反应活性，从而大幅提高电池效率以及循环稳定性。
实施例2(浸泡时间为非优选条件)
与实施例1相比，将浸泡时间改为0.2h，其他条件不变。经测试，电池库伦效率为94.7％，电压效率为85.2％，能量效率为80.7％。电池寿命为80循环。
与对比例1相比，在非优选时间浸泡的电极材料的碱性体系锌铁液流电池的库伦效率、能量效率以及电池的循环稳定性都有一定提高，但与实施例1中本发明的优选浸泡时间相比仍有小幅差距。
实施例3(溶液浓度为非优选条件)
与实施例1相比，将过硫酸钾浓度改为0.1mol/L，其他条件不变。经测试，电池库伦效率为96.4％，电压效率为87.0％，能量效率为83.9％。电池寿命为80循环。
与对比例1相比，在非优选溶液浓度处理的电极材料的碱性体系锌铁液流电池的库伦效率、能量效率以及电池的循环稳定性都有一定提高，但与实施例1中本发明的优选浸泡时间相比仍有小幅差距。
实施例4
裁取适当大小6mm厚的碳毡，于60℃下先浸泡于0.6mol/L的过硫酸钠的水溶液中，15h后取出电极用水反复清洗，晾干备用。其他条件同实施例1。
实施例5
同实施例1，将6mm厚碳毡换为4张1mm厚碳纸材料，其他条件不变。
Claims (4)
1.一种采用过硫酸盐处理的电极，其特征在于：
所述电极材料为碳毡、碳布或碳纸材料中的一种或二种以上；
处理过程为，将电极材料在温度为60～80℃下，先浸泡于过硫酸盐的水溶液中，浸泡0.1～24h(优选0.5～12h)后，取出电极材料用水反复清洗待用，得电极；
浸泡体系其中，过硫酸盐的水溶液终摩尔浓度为0.01～2mol/L(优选0.2～1mol/L)。
2.根据权利要求1所述的锌铁液流电池，其特征在于：
过硫酸盐为过硫酸钾或过硫酸钠中的一种或二种以上，。
3.根据权利要求1所述电极在锌铁液流电池中的应用，其特征在于：所述处理后电极应用于锌铁液流电池中。
4.根据权利要求1或3所述的应用，其特征在于：锌铁液流电池为碱性锌铁液流电池或中性锌铁液流电池，优选碱性锌铁液流电池。
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