[发明专利]一种水系半液流电池

说明书

本发明属于电化学领域，具体涉及一种以碳纳米角/聚酰亚胺复合物为固体负极的邻菲罗啉铁配合物‑水系半液流电池。该电池体系包括：低负电位的碳纳米角/聚酰亚胺复合物负极、高正电位的邻菲罗啉铁配合物正极、全氟磺酸‑聚四氟乙烯共聚物隔膜和醋酸水溶液电解液。该水系液流电池具有高工作电压、能量密度、功率密度和安全性能等优点，在新能源发电过程中作为储能装置以及在电网调峰领域具有良好的市场应用前景。

技术领域

本发明属于新能源领域，特别涉及一种水系半液流电池。

背景技术

随着经济的高速发展，各国对于能源的需求日益剧增，尤其对于电能的需求已不可或缺。现阶段不仅有各式各样的电器设备，而且新能源电动汽车已经对传统化石燃料汽车产生剧烈的冲击。但是传统的火力发电和水利发电在环境友好性和可持续性发展方面都存在很大的局限性，因此对于太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的利用受到了高度重视。这类可再生能源存在明显的不稳定性和地域性等缺点，导致其很难安全并入电网，因此研发与之匹配的高效率储能装置显得极其重要。目前使用较多的电化学储能系统主要有电化学二次电池、超级电容器和氧化还原液流电池等。液流电池是一种储能元件，具有储能规模大、循环寿命长、安全性能高等优点，但是其能量密度较低(50Wh kg^-1)。

液流电池主要分为水系液流电池与非水系液流电池两类。对于非水系液流电池，有机电解液的离子/电子迁移速率较低，且易造成安全问题。对于水系液流电池，由于采用了水溶液电解质，安全性不再是考虑的主要问题，但是水分解析氢和析氧问题会造成充放电电位不高，因此，当前对于水系电极材料的研究较少。

发明内容

为了提高氧化还原液流电池的能量密度，同时解决水系液流电池因水分解析氢和析氧问题而造成充放电电位不高的技术问题，本发明提供了一种具有高能量密度的以碳纳米角/聚酰亚胺复合物为活性物质的固体负极与水溶性邻菲罗啉铁配合物正极组合的水系半液流电池。

本发明提出的水系半液流电池，以高正电位的水溶性邻菲罗啉铁配合物作为正极，以低负电位的碳纳米角/聚酰亚胺复合物作为固体负极，以醋酸水溶液作为电解液，以全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物作为隔膜。

本发明中，碳纳米角/聚酰亚胺复合物固体负极包括：活性物质碳纳米角/聚酰亚胺、导电剂石墨烯、粘结剂聚偏氟乙烯和集流体。其制备方法为：首先按照一定的质量比将活性物质聚酰亚胺、导电剂石墨烯和粘结剂聚偏氟乙烯均匀混合，然后以辊压的方式与集流体相结合；

其中，活性物质碳纳米角/聚酰亚胺的含量为负极总质量的20-90％。

导电剂石墨烯的含量为负极总质量的5-30％。

粘结剂聚偏氟乙烯的含量为负极总质量的1-20％。

采用的集流体具有高导电能力，可以是碳布、导电石墨网和不锈钢网中的一种或几种的复合物。

活性物质碳纳米角/聚酰亚胺的制备方法是：以酸二酐、胺和碳纳米角为原料，通过一步聚合的方式制备不同化学结构的碳纳米角/聚酰亚胺。

其中，酸二酐为萘四甲酸二酐、3,3’,4,4’一二苯甲酮四酸二酐、环戊四酸二酐、联苯四甲酸二酐中的一种或几种的复合物。

胺为尿素、乙二胺、三聚氰胺、三乙胺、二乙烯三胺、异佛尔酮二胺中的一种或几种的复合物。

碳纳米角/聚酰亚胺的具体制备过程为：先将等摩尔比的酸二酐和胺共同加入强极性溶剂NMP中，再加入2％～20％高导电性的碳纳米角，然后于150～220℃下加热回流2～10h。待上述反应物冷却后进行反复洗涤、抽滤操作，真空干燥后再在氮气保护下于200～400℃下热处理5～15h，冷却后得到碳纳米角/聚酰亚胺。

本发明在合成聚酰亚胺的原料中加入了碳纳米角，采用一步法制备纳米角/聚酰亚胺，有利于碳纳米角在产物中的分散，制备的产物更均匀，性能也更好。