[发明专利]一种用于水系液流电池的隔膜及其电池

说明书

本发明提供一种用于水系液流电池的隔膜及其电池，属于储能电池领域，其包括液态有机化合物和离子化合物形成的均匀有机相，该有机相与水系电解液不混溶。正、负极活性物质在水系电解液中的溶解度远大于在有机相中的溶解度。有机相中具有的离子在正、负极水系电解液中也具有一定的溶解度，可以在正极水系电解液/有机相/负极水系电解液三相之间穿梭。隔膜被设置在正、负极水系电解液之间，阻止电解液中活性物质的跨膜穿梭。本发明还提供包括以上隔膜的电池。本发明制备出的隔膜利用有机相和水相的液‑液相分离现象来构建离子选择性传导隔膜，其制备工艺简单，适用范围广泛。

技术领域

本发明属于储能电池领域，更具体地，涉及一种用于水系液流电池的隔膜及其电池。

背景技术

随着“双碳”目标的提出，我国需要大力推进清洁能源的发展进程。太阳能、风能等可再生能源是未来能源发展的重要组成部分，但是可再生能源的间歇性和不稳定性的特性给电力系统的稳定性和安全性带来了挑战。储能技术作为一种重要的技术手段，可以帮助实现新能源发电的高效利用以及新能源发电并网后电力系统的平稳运行。

现有的主流储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等。其中，电化学储能因为选址灵活、适用范围广泛等特点受到市场和行业的关注。其中，锂离子电池具有寿命长、能量密度高等优点，是目前应用广泛的一种储能电池，但是锂在自然界中的储量有限，制造工艺复杂且内部的电解液高度易燃等问题，限制了其在大规模储能中的发展。铅酸蓄电池虽然商业化时间长，成本较低，但是在能量密度和循环稳定性方面不如锂离子电池。相比之下，液流电池将容量与功率解耦合，具有环境适应力较高、安全性高、循环寿命长等优点，被认为是最具有前景的大规模储能技术之一。

典型的液流电池由正、负极水系电解液、隔膜、双极板、多孔电极和端板构成，同时外接泵和储液罐。充放电过程中，储液罐中的正、负极水系电解液在蠕动泵的作用下被输送到电池内部，在多孔电极(如石墨毡)表面发生氧化还原反应，正、负极水系电解液中的某种离子经过隔膜在正、负极水系电解液之间迁移，实现电池的充放电。在液流电池中，所储存的能量多少取决于外接储液罐的大小，最大充放电功率取决于由隔膜、双极板、多孔电极构成的电堆的大小，因此可以实现电池功率与容量的独立设计与调节，在电力系统储能中具备优势。

隔膜是液流电池的关键部件，它具有选择性离子传导能力，既可以将正、负极电解液中的氧化还原活性物质分开，又可以在充放电过程中传导离子而与外电路构成闭合回路，实现能量的存储与释放。氧化还原活性物质的跨膜穿梭会造成电池库伦效率的下降、电池容量衰减以及循环寿命降低。因此，隔膜的离子传导选择性和离子电导率很大程度决定液流电池的性能。

目前，隔膜的离子传导选择性主要基于固态离子传导材料中的微观孔隙设计。以全钒液流电池为例，正极水系电解液中的氧化还原活性物质为四价钒离子和五价钒离子氧化还原对(VO²⁺/VO₂⁺)，负极水系电解液中的氧化还原活性物质为二价钒离子和三价钒离子氧化还原对(V²⁺/V³⁺)，以硫酸(H₂SO₄)为支持电解质。通常，全钒液流电池中的隔膜由聚合物构成，其中聚合物主链为隔膜提供机械结构支撑，离子侧链基团使得隔膜具有传导离子的能力。在充放电过程中，正、负极水系电解液在泵的泵送下流经电池内部，正、负极水系电解液中的正、负极氧化还原活性物质在电极表面发生氧化还原反应。充电时，正极水性电解中的氧化还原活性物质VO²⁺被氧化成VO₂⁺，电解液颜色由蓝色变为黄色，而负极水性电解中的氧化还原活性物质V³⁺被还原成V²⁺，电解液颜色由绿色变为紫色，H⁺通过隔膜在正极水系电解液和负极水系电解液之间穿梭，保持电池内部的电荷平衡；在放电过程中，反应则是朝相反的方向进行。如果在充放电过程中，正、负极水系电解液中的氧化还原活性物质跨膜穿梭，会导致电池的充放电效率降低，电池容量衰减和循环寿命下降。因此，提高隔膜对氧化还原活性物质和穿梭离子的选择性传导十分重要。