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钒电池用电解液研究现状及展望

来源:汇智旅游网
综述

钒电池用电解液研究现状及展望

芳,孟凡明,陆瑞生

(中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900)

摘要:钒电池是近年来兴起的高效储能、绿色环保、反复可充放的新兴能源。钒电解液作为全钒氧化还原液流电池的活性物质是电池最重要组成部分之一,钒的浓度大小和电解液的多少决定了电池的容量,钒电解液性能的好坏对电池性能有直接影响。对钒电解液的制备、分析、性能优化方面的研究现状及展望作了综述。关键词:钒电解液;制备;分析;优化;再生中图分类号:TM912.9

文献标识码:A

文章编号:1002-087X(2006)10-0860-03

Developmentandprespectofthevanadiumelectrolyte

forthevanadiumbattery

CHANGFang,MENGFan-ming,LURui-sheng

(InstituteofElectronicEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,MianyangSichuan621900,China)

Abstract:Vanadiumbatterydevelopedinresentyearsisastorageenergyinstalls.Ithassomespecificpropertysuchashighstorageefficiency,environmentalfriendlyandcanberecharged.Thevanadiumelectrolyteasaactivematerialisanimportantpartofvanadiumbattery.Theconcentrationandamountofvanadiumelectrolyteinfluencethebatterycapacitydirectly.Thequalityofvanadiumelectrolytecanalsoinfluencethepropertyofbatterydirectly.Thispapersummarizedthemanufacture,analysisandpropertyoptimizationofvanadiumelectrolyteathomeandabroad,andalsolookforwardthedevelopmentofvanadiumelectrolyteinthefuture.Keywords:vanadiumelectrolyte;manufacture;analysis;optimization;regeneration

钒电池的全称为全钒氧化还原液流电池,是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池最早由澳大利亚新南威尔士大学的MarriaKazacos提出。日本从1985年起开发研究用于电站调峰储能钒电池系统,美国和澳大利亚都经过多年的研究,已完成了钒电池的实用化研究并已实现工业化应用。

由于钒电池活性物质贮存在电堆外部的储液罐中,钒电池与传统的固相蓄电池相比,具有浓差极化小,电池容量大且容易调整、寿命长,能耐受大电流充放,活性溶液可再生循环使用,不会产生污染环境的废弃物等优势。所以自问世以来在国际国内受到广泛关注并得到快速发展。

高效贮能钒电池主要采用全钒离子作为电解液,充放电V(Ⅲ)/V(Ⅱ)电对,提供1.26V时在正负极形成V(Ⅴ)/V(Ⅳ)、

的开路电压[1]。平常,正负极电解液分别存放,电池工作时,用泵分别将正负极电解液泵进电堆,发生化学能-电能的转变或相反的过程。电池基本原理如图1所示。

收稿日期:2006-03-27

基金项目:中国工程物理研究院科学技术基金(20040543)作者简介:常芳(1974—),女,甘肃省人,工程师,主要研究方向为化学电源材料及分析。

Biography:CHANGFang(1974—),female,engineer.

Fig.1

图1钒电池基本原理图

Basicprincipleofvanadiumbattery

电池工作时,电堆中发生如下反应:正极:VO2++2H++e-!VO2++H2O负极:

V2+!V3++e-

E0=1.00VE0=-0.26V

(1)(2)

在电堆运行良好的情况下,钒电解液的多少和浓度大小,决定着电池容量的大小。电解液性能的好坏对电池性能有直负极电解液中V(Ⅱ)的氧化接影响[2]。尤其是钒电池充电后,

严重地阻碍了钒电池充放电和正极电解液中V(Ⅴ)的析出,

效率,是钒电池实用化研究中必须解决的问题。所以钒电解液的研究对钒电池的开发、研究和提高性能有非常重要的意义。我们将从钒电解液的制备、分析、性能的优化方面介绍钒电解液的研究进展及目前的国际国内研究现状。

1钒电解液的制备

钒电池活性物质是钒电解液,它包括负极活性物质、正极

活性物质和作为支持电解液的硫酸溶液,两极的化学反应如

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上面(1)、(2)式所示。

钒电解液常用的制备方法主要分为化学法和电化学法两种。化学法是指用钒的氧化物或化合物,在一定的硫酸溶液中通过加热或加入一定量的还原剂的方法,生产出钒电池用的MCheng等人用钒钒/硫酸混合电解液。1993年CMenictas、

酸铵制备出V(Ⅲ)和V(Ⅳ)的混合钒电解液。1994年Sato、Kanji等人用5价钒或NH4VO3在一定的硫酸溶液中用还原剂还原生产出V(Ⅳ)电解液。1996年Nakajima等人用含有大量杂质的钒5价氧化物和NH4VO3为原料,在酸性、加热的条件下,通入惰性或氧化性气体以除去氨离子,生产出高纯度的含V(Ⅲ)和V(Ⅳ)的钒/硫酸混合电解液。化学法制备钒电

[3]

但是由于V(Ⅴ)的强氧化性和系统所使用的强酸溶液,用于电解槽内的离子交换膜,必须使用优质耐氧化性和耐强酸性的聚四氟乙烯阳离子交换膜和聚砜系阴离子交换膜,成本非常高昂。国内在钒电池充放电过程中钒浓度和价态的变化监测方面也取得了比较好的进展,主要利用钒离子之间存在较大电位差的特点,采用电位滴定的方法,同时设置密封装置和基本可以满用惰性气体做为保护气氛,避免了V(Ⅱ)的氧化,足3.0mol/L以下的钒电解液的分析[9]。

3钒电解液稳定性研究

钒电池充电后V(Ⅱ)在敞开系统中极易氧化,V(Ⅴ)能缓

慢的从溶液中沉淀下来,电池充电后V(Ⅱ)的氧化和V(Ⅴ)的析出,严重影响钒电解液性能,降低钒电池充放电效率。是钒电解液优化最需要解决的问题。

解液,方法简单、设备简便,缺点是固体溶解速度慢、每次生产量少,加入诸如草酸类的还原剂难以根除。目前化学法制备钒电解液主要用于实验室研究。要持续生产大量、优质的钒电解日本的隈元贵液,电化学法将是一个不错的选择。1995年,浩,重松敏夫采用电解槽的方法生产出钒电池用电解液,2000年Kazacos等人采用直接将稳定剂与五氧化二钒和硫酸加入电解槽中电解的方法,制备出性能相对稳定的各价态钒满电解液,电解液中钒离子浓度也可以达到0.25~10mol/L,足不同浓度的钒电池需求[4]。2004年巴里M布罗曼的专利提供了一种不对称的钒电解槽,使用该电解槽制备钒电解液和使工作态钒氧化还原电池电解液的充电状态重新平衡[5]。既通过使电解液流过多个串联、高度不对称的电解槽反复循环的方法,使五氧化二钒在硫酸中被不同的阴阳极电解成V(Ⅲ)和V(Ⅳ)的酸性钒电解液。随着钒电解液制备技术的发展,电解法已经成为越来越被大家认可和采用的方法。

3.1V(Ⅱ)的氧化问题

在敞开体系中,V(Ⅱ)氧化很快,极不稳定。为了防止空气

将负极电解液中的V(Ⅱ)氧化成V(Ⅲ),ESum和MSkyl-las-Kazacos在充放电过程中,采用密封贮液罐或在贮液罐中通入氮气、氩气、氖气等惰性气体或它们的混合气体,贮液罐的密封和保护气体的存在极大的降低了V(Ⅱ)氧化速率[7]。MSkyllas-Kazacos也采用在负极罐中电解液表面覆盖一层0.5~5cm厚的难溶于电解液的矿物油、菜油、鲸油等液体的方法,有效的降低了V(Ⅱ)氧化率。但对由V2O5配制的电解液,充放电过程系统要释放出CO2气体,过充又使H2O电出H2、O2。在钒电池使用中,为了方便电解液换液和监测,贮液罐不可能达到完全封闭,通入氮气/氩气等惰性气体,造成成本升高。气瓶使用使现场危险性增加。加入矿物油,过充后矿物油分解黏附在隔膜上难以清除,易使贵重的膜受损,造成膜交换困难。目前报道的V(Ⅱ)的防氧化方法主要集中在负极电解液中加入稳定剂和还原剂。在敞开系统中放置20d,室温和低温(5℃)下,加入1%~5%的稳定剂和还原剂,最大可以使V(Ⅱ)的氧化率从52%降低到10.98%[10]。

2钒电解液的分析

钒电池的容量是由电解液中钒的浓度和电解液量的多少

决定,同时,为了获得比能量,充电效率等数据,需知道电解液中不同价态的钒浓度。在电池使用时,对充放电状态下钒电解液浓度及价态的现场分析,可以监测电堆运行情况,如正负极是否窜液、充放电溶液是否匹配等,也可为钒电池充电机理和电池体构成材料(隔膜、电极和集电极)在充电过程中性能变化的研究提供依据。

钒电解液的分析经历了一个由微量向高浓度、由分析一种离子向可以分析几种离子,由手工操作向现场连续自动分析的过程。对微量钒元素,可以采用VIS/UV分光光度法和荧光光谱分析。对低浓度(<0.1mol/L)的V(Ⅳ)可以采用高锰酸钾滴定分析。NKausar也采用拉曼光谱研究高浓度V(Ⅴ)(0.1~3.0mol/L)和高浓度H2SO4(4~9mol/L)溶液中的V(Ⅴ)种类[6]。1990年MKazacos等人采用感应耦合等离子体分析3.0mol/L以下的钒离子浓度[7]。1997,日本的隈元贵浩,重松敏夫等人在离子交换膜和介于离子交换膜两侧设置工作电极和对电极与参考电极构成用作溶液流通型电解槽,提供了一种分析钒电池电解液中钒的浓度和价数组成的方法及装通过电解槽间进行测置[8]。该方法挑选一定电位的试料溶液,

定电位电解,根据此时测得的电量,测定钒离子的价数与浓度,方法操作方便,可实现连续自动分析V(Ⅱ)~V(Ⅴ)溶液。

3.2V(Ⅴ)的析出问题

钒电解液在过充及贮存过程中容易析出V(Ⅴ)的沉淀。钒

溶液过充后,析出的V(Ⅴ)黄色结晶会堵塞泵,阻碍电解液的V(Ⅴ)沉淀的循环,也会大量附着在碳毡上,降低充放电效率。影响因素较多,钒浓度、温度(外、内)、充电状态等都有影响。1989年MSkyllasKazacos发现充电深度越深,相同的浓度、酸度下电解液在高温时V(Ⅴ)越容易沉淀出来。

1990年MKazacos等人发现充电后的正极钒在满充的状态下,如果长期贮存在一个持续升温状态下,V(Ⅴ)的晶体化合物会慢慢地从溶液中沉淀出来,沉淀速率和程度取决于钒离子浓度、温度和硫酸的浓度[7]。

由于1.8mol/L以上V(Ⅴ)溶液容易在高温下析出沉淀,而实际应用中为获得大电流不愿降低钒溶液浓度,充放电过程中升温又不可避免,所以1989年MSkyllasKazacos在30mL电解液中加入2mL含10-6级Au、Mn、Pt、Ru、Os、Re、Rh等金属的盐溶液,通过对电极的影响来稳定溶液[11]。

1996年MSkyllasKazacos等人研究了钒电池中五价钒

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电解液的热稳定性。发现V(Ⅱ)、V(Ⅲ)、V(Ⅳ)的稳定性随温度增加而加大,然而V(Ⅴ)在40℃及以上会产生热沉淀效应,所以钒氧化还原电池用电解液的各种钒离子浓度受限于10~40℃的温度范围[12]。1996年日本的隈元贵浩,重松敏夫对钒系氧化还原流动型电池电解液展开研究,重点研究了电解液的浓度、化合物的析出、构成、添加剂等,发现在较高温度下V(Ⅴ)易析出,反应如⑶所示。

2VO2++2.6H2O!V2O5·1.6H2O↓+2H+

(析出)

1991年、1998年MChen和MRahman为提高钒电池用电解液浓度,分别对电解液做了最佳化研究并提出改善电解液充电后V(Ⅴ)析出的方法。

2000年MSkyllasKazacos通过在电解液中添加一种或几种少量的稳定剂,这些稳定剂具有环或链状结构的醇、硫醇等物质,他们能稳定V(Ⅱ)~V(Ⅴ)离子的能力从而提高他们的稳定性,通过增加电解液中氧化还原离子的浓度来增加电解液的稳定性,阻止或降低电解液中钒的沉淀[4]。

2002年罗冬梅、许茜等在含3mol/L钒离子的硫酸溶液中分别加入碱金属硫酸盐、碱金属草酸盐以及有机物脲和甘油等添加剂,研究添加剂对钒电池电解液性质的影响[13]。对含适量添加剂钒硫酸溶液电导率的测定表明,适量添加剂不会降低溶液的电导率,有些甚至能提高电导率。对含适量添加剂的钒硫酸溶液进行了循环伏安试验,表明添加剂的加入不会对电极反应生产不利影响。

从相关资料可知使V(Ⅴ)不析出的措施有:(1)尽量保持充满电荷的正极钒溶液在较低温度下不断循环(电池循环在高温持续时间不是非常长的情况下);(2)2mol/L正极钒溶液能在3~4mol/LH2SO4中稳定存在;(3)实际使用时,因高温或不经常性的循环将是不可避免的,更适合的电解液组成成分应为:1.5mol/L的钒在3~4mol/L的H2SO4中更稳定。如果需要用更高浓度的钒溶液,则必须通过控制电解液的温度控制荷电状态(SOC)在60%~80%;(4)如果正极电解液析出,可以通过和负极电解液混合或放电使它重新溶解。

如何解决充电后V(Ⅴ)的析出和V(Ⅱ)的氧化问题,优化钒电解液的性能,对提高电池充电效率非常重要,这也是今后国内钒电池实用化最需要解决的技术难点之一。

(3)

确保绿色地球的倡导,使得我们对高效绿色能源特别是对移动蓄能电池的需求量急剧增加,高效储能的钒电池作为优秀绿色环保蓄电池已越来越引起电池制造业的重视[1]。澳大利亚、日本、美国都已经完成钒电池的工业化进程。国内研究钒电池的机构虽然很多,但起点较低,大都停留在实验室研究阶段。中国工程物理研究院五所作为国内最早研究钒电池的单位,从1995年开始钒电池研制,目前已成功研制开发出1000W的钒电池样机并已在2006年着手5000W的太阳能光伏发电用储能钒电池系统示范工程。在钒电池及钒电解液的配制、分析、优化方面取得了一些成就。目前在钒电池的电堆结构优化后,正在投入大量的人力物力解决钒电池另一个重要组成部件钒电解液的问题,相信随着高性能钒电解液的研制,会为我国钒电池实用化研究带来质的飞跃。

参考文献:

[1][2][3]

孟凡明.新型清洁化学电源-钒电池[J].新能源,1997,19(8):34—37.

SKYLLASKAZACOSM,ROBINR.All-Vanadiumreodxbattery[P].US:4786567,1998.

NAKAJIMA,MASATO,AKAHOSHI,etal.MethodforproductinghighpurityVanadiumelectrolyticsolution[P].US:5587132,1996.[4]SKYLLASKAZACOSM.Stabilisedelectrolytesolutions,Methods

ofpreparationthereofandredoxcellsandbatteriescontainingsta-bilisedelectrolytesolutions[P].US:61434437,2000.[5]

巴里M布罗曼.用不对称钒电解槽制备钒电解液和用不对称钒电解液槽使工作态钒氧化还原电池电解液的充电状态重新平衡[P].中华人民共和国国家知识产权局:00819823,2004.[6]

KAUSARN,HOWER,SKYLLASKAZACOSM.Romanspec-troscopystudiesofconcentratedvanadiumredoxbatterypositiveelectrolytes[J].JournalofAppliedElectrochemistry,2001,31:1327—1332.[7]

KAZACOSM,CHENGM,SKYLLASKAZACOSM.Vanadiumreodxcellelectrolyteoptimizationstudies[J].JournalofAppliedElectrochemistry,1990,20:463—467.[8][9]

隈元贵浩,重松敏夫.钒氧化还原流动型电池用电解液钒离子价数与浓度的测定方法及装置[P].日本:特開平9-101286,1997.彭声谦,蔡世明,许国镇,等.充电过程中钒价态及其变化的现场分析[J].理化检验-化学分册,1998,34(7):291—294.

[10]SUME,SKYLLASKAZACOSM.AstudyoftheV(Ⅱ)/V(Ⅲ)

redoxcopleforredoxflowcellapplication[J].JPowerSources,1985,15(2-3):179—190.

[11]SKYLLASKAZACOSM.All-VanadiumredoxBatterywithaddi-

tives[P].AU:PatentAppl.No.PCT/AU88/00472.1998.

[12]SKYLLASKAZACOSM,MENICTASC,KAZACOSM.Thermal

stabilityofconcentratedV(Ⅴ)electrolytesinthevanadiumredoxcell[J].JElectrochemSoc,1996,143(4):186—188.

[13]罗冬梅,许茜,隋智通.添加剂对钒电池电解液性质的影响[J].电

源技术,2004,28(2):94—96.

4钒电解液的发展方向

随着国内钒电池实用化、工业化的发展趋势,钒电解液的

研究将向浓度范围广、稳定性好且能批量化生产的方向进行。同时,由于钒电池研制成功后主要用于解决自然环境比较恶劣的边远山区供电问题,所以钒电池充电后负极钒电解液易氧化和正极钒电解液高温析出,将是钒电解液最需要研究并解决的关键技术。

5结束语

近年来,全球变暖及城市污染不断对新型能源技术和高

效能量储存系统提出要求。世界能源紧缺的现实及污染,2006.10Vol.30No.10

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