CN105280964B - 一种锌锰液流电池 - Google Patents
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Abstract
一种锌锰液流电池，电池由一节单电池或二节以上单电池串联而成电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正极、负极，正极和负极相对设置，正极和负极间留有空隙；电解液为含有二价锌离子和二价锰离子的酸性水溶液。该电池由于正负极反应采用固‑液相转化，无需隔膜，只需要一个电解液回路，克服了传液流电池的交叉污染问题，具有循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种锌锰液流电池，可广泛应用于电子工业，交通运输和矿冶等领域。
背景技术
随着人口的不断增加和生活水平的日益提高，人们对能源的需求量猛增，传统的化石能源在不久的将来会满足不了人们的需求，因此风能、太阳能等可再生能源的开发和利用受到广泛关注。然而这些可再生能源具有不连续、不稳定、受地域环境限制和并网难的特性，导致其利用率低，弃风弃光率高，浪费资源。而储能技术通过能力的储存与释放可以提高可再生能源利用率和稳定性，是开发利用新能源的关键技术。
液流电池是一种适合于大规模储能的电化学储能技术，其特点是通过储存在电解液中的化学元素的价态变化实现能量的储存与释放。目前发展较为成熟的体系有全钒液流电池、锌溴液流电池和多硫化钠溴液流电池。以上三种电池均为双液流电池，正负极之间需要昂贵的离子交换隔膜将正负极隔开，电池的成本较高，且仍然处在电解液较差污染的难题，无法实现能量高效、廉价、安全可靠的储存与释放。
锌锰液流电池于本世纪初提出，其正极活性物质固态二氧化锰储存于电极中，只有负极的活性物质储存于电解液中，电解液为碱性的锌酸盐溶液，电池的容量受限于正极，且固体二氧化锰电极的循环寿命短，导致电池的寿命短，制约了其实用化进程。
发明内容
本发明通过优选正负极反应的氧化还原电对，提出了锌锰单液流电池的概念，正负极均为沉积型电极，且将正负极的活性物质均以离子的状态储存在电解液中，无需隔膜，改善了传统液流电池交叉污染和成本高的问题。为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种锌锰液流电池，电池由一节单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正极、负极，正极和负极相对设置，正极和负极间留有空隙；
电解液储液罐内装填有电解液，电解液储液罐与正极和负极间的空隙通过循环管路连接，于循环管路上设有循环泵，电解液从电解液储液罐流出经正极和负极间的空隙后再返回电解液储液罐；
电解液为含有二价锌离子和二价锰离子的酸性水溶液。
正负极共用同种电解液，并通过循环泵，使电解液循环流动供给。
正极反应为二价锰离子与二氧化锰的液-固相转化；负极反应为二价锌离子与锌的液-固相转化。充电时，电解液经由泵从储液罐输送至正极和负极，锰离子在正极氧化为二氧化锰，锌离子在负极直接以锌单质形式沉积；放电时，二氧化锰在正极还原为二价锰离子，从新回到电解液中；锌单质在负极氧化为锌离子经由泵回到储液罐中。
电解液中的含锌离子活性物质为ZnSO4或Zn(NO3)2中的一种或二种，浓度范围0.1mol dm-3～3mol dm-3；电解液中的含锰离子活性物质为MnSO4或Mn(NO3)2中的一种或二种，浓度范围0.1mol dm-3～3mol dm-3；
电解液中还添加有酸，酸可以是H2SO4或HNO3中的一种或二种，酸浓度范围0.1moldm-3～3mol dm-3；
电解液中还添加或不添加有提高电解液导电性的添加剂，添加剂为K2SO4、KNO3、Na2SO4、和NaNO3中的一种或二种以上；添加添加剂时，电解液中添加剂的浓度范围0.1moldm-3～3mol dm-3。
正极和负极的材料为导电金属或导电碳材料。
正极和负极为板状电极或多孔电极。
本发明的有益效果：
本发明通过技术改进，提出了锌锰单液流电池的概念，正负极均为沉积型电极(正负极反应采用固-液相转化)，且将正负极的活性物质均以离子的状态储存在电解液中，无需隔膜，只需要一个电解液回路，解决了传统液流电池交叉污染的问题。具有循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
附图说明
图1锌锰液流电池单电池示意图；
1、正极端板；2、负极端板；3、正极；4、负极；5、泵；6、电解液储罐；
图2为实施例锌锰液流电池性能图。
具体实施方式
实施例
电解液配置：
电解液：电解液40ml，其中含有1.0mol dm-3MnSO4，1mol dm-3 ZnSO4，0.2mol dm-3H2SO4。
电池组装：
单电池依次正极端板、正极3x3cm2泡沫镍、负极3x3cm2泡沫镍、负极端板。单电池结构及系统见图1。
电池测试：
电解液流速：5ml/min；充放电电流密度10mA/cm2；充电1h，放电截止电压为0V。电池性能见图2，由充放电电流密度图2可知在10mA/cm2；充电时间为1h，电池的平均能量效率达到了70％左右。
Claims (4)
1.一种锌锰液流电池，其特征在于：电池由一节单电池或二节以上单电池串联而成的电池模块、电解液储液罐、循环泵、循环管路组成；单电池包括正极、负极，正极和负极相对设置，正极和负极间留有空隙；电解液储液罐内装填有电解液，电解液储液罐与正极和负极间的空隙通过循环管路连接，于循环管路上设有循环泵，电解液从电解液储液罐流出经正极和负极间的空隙后再返回电解液储液罐；电解液为含有二价锌离子和二价锰离子的酸性水溶液；电解液中的含锌离子活性物质为 ZnSO4 或 Zn(NO3)2 中的一种或二种， 浓度范围0.1 mol dm-3 ~ 3 mol dm-3；电解液中的含锰离子活性物质为 MnSO4 或Mn(NO3)2 中的一种或二种， 浓度范围 0.1 mol dm-3~ 3 mol dm-3；电解液中还添加有酸，酸为H2SO4 或 HNO3中的一种或二种， 酸浓度范围 0.1 mol dm--3~ 3 mol dm--3；正极和负极的材料为导电金属或导电碳材料；正极反应为二价锰离子与二氧化锰的液-固相转化；负极反应为二价锌离子与锌的液-固相转化。
2.根据权利要求 1 所述的锌锰液流电池，其特征在于：正负极共用同种电解液，并通过循环泵，使电解液循环流动供给。
3.根据权利要求 1或2所述的锌锰液流电池，其特征在于：电解液中还添加有提高电解液导电性的添加剂，添加剂为 K2SO4、KNO3、 Na2SO4、和 NaNO3 中的一种或二种以上；电解液中添加剂的浓度范围 0.1 mol dm-3 ~ 3 mol dm-3。
4.根据权利要求 1 所述的锌锰液流电池，其特征在于：正极和负极为板状电极或多孔电极。
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