全钒液流电池电解液的高效稳定化机制研究

在世界面临传统能源危机，新能源产业不断发展的今天，全钒液流电池的大规模储能应用前景十分广阔。然而，作为其关键材料之一的电解液的稳定性问题尚未解决，制约了全钒液流电池的发展。为此，我们首次提出研究电解液中活性物质和支持电解质以外的其他稳定的离子或分子对钒电解液性能的影响。通过钒电解液中稳定离子和分子的添加和去除，研究钒电池电解液活性离子的存在状态及稳定化规律，设计出高效、稳定的电解液构成。并根据环境要求动态调整和优化钒电池电解液组分，为运行过程中电解液失衡、失稳等问题提供解决方案。同时，通过对稳定的离子和分子影响规律的探索，加深对高浓度电解液溶液化学相关理论的认识，拓展溶液化学与电化学理论相结合的实际应用前景。

全钒液流电池是一种新型的大规模储能电池，因其环境友好、长寿命、功率和容量可单独设计等优点得到了迅速发展。全钒液流电池由离子交换膜、催化电极和电解液三种关键材料组成，其中，由于我国钒矿资源丰富，全钒液流电池电解液有了很大的发展前景。.作为电化学反应的活性物质，电解液性能直接影响钒电池的性能。由于电解液的制备方法不同，对于杂质离子对钒电解液性能的影响很少有人研究。由于不同价态的钒电解液的稳定性和电化学性能的影响因素不同，本文分别研究了杂质离子对三价、四价、五价钒电解液性能的影响。.本文利用电解的方法制备了不同钒浓度和硫酸浓度的三价、四价和五价钒的电解液，通过稳定性测试和循环伏安测试等方法，得出了钒浓度和硫酸浓度对钒电解液稳定性和电化学性能的影响，对硫酸和钒浓度的配比进行了优化，优化结果为：钒浓度1.6~2 mol•l-1，硫酸浓度3~4 mol•l-1。在这一浓度范围内的钒电解液，单体电池充放电测试的库伦效率可以达到94%左右，能量效率达到85%左右，充放电循环性能良好。.低浓度的钒和硫酸的电解液中，微量杂质离子主要影响五价钒电解液在高温下的稳定性，Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、AlO2-、SiO32-、NO3-、Cr2O72-、MnO4-会明显降低五价钒电解液的稳定性。高浓度的钒和硫酸电解液中，微量杂质离子主要影响三价和四价钒电解液在低温下的稳定性，Mg2+、Al3+、Ti4+、Cr3+会降低三价钒和四价钒在低温下的稳定性，PO43-、Cl-可以使三价钒和四价钒电解液的稳定性提高。微量杂质离子对四价和五价钒电解液电化学性能的影响较小，杂质离子对三价钒电解液电化学反应可逆性的影响很明显。Li+、Al3+、Cr3+、PO43-、Cl-会明显降低V(III)/V(II)电化学反应的可逆性。.通过综合比较杂质离子对各价态钒电解液稳定性和电化学性能的影响得出：在钒电解液中必须除去的杂质离子有Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、AlO2-、SiO32-、NO3-、Cr2O72-、MnO4-，应尽力避免的杂质离子有Mg2+、Al3+、Ti4+、Cr3+、Mn2+，可以适量存在的杂质离子有Li+、Na+、K+、NH4+、PO43-、Cl-，其中Li+、PO43-、Cl-可以作为钒电解液的添加剂。