一种聚苯胺-锌单液流电池及系统的制作方法

本发明属于电池制备，具体涉及一种聚苯胺-锌单液流电池及系统。

背景技术：

1、聚苯胺是一种通过氧化聚合过程制备，且具有较高电化学活性的导电聚合物，可作为二次电池、超级电容的电极活性材料。聚苯胺的完全氧化还原过程可以提供290ah/kg的理论比容量，是一种高比容量的电极材料。本征态聚苯胺(聚苯胺碱)可以在锂盐的水溶液中发生氧化还原反应。金属锌作为一种负极材料，具有比容量高(820ah/kg)、氧化还原电位低(-0.76v v.s.s.h.e.)、在水系电解液中电化学活性高等性能优势，而且储量大、价格低廉，是一种极具应用潜力的水系二次电池负极材料。以本征态聚苯胺作为正极，搭配锌金属负极可以构成一种以锂盐和锌盐水溶液作为电解液水系双离子二次电池。这种聚苯胺-锌电池具有高能量密度和很好的安全性，以及相对低廉的价格。正极反应过程见图1，负极的反应过程见图2。

2、双离子二次电池的电解液的浓度需要控制在一个有利于可逆反应发生的区间内，但是这种双离子二次电池在充放电过程中锂离子和锌离子的浓度均会发生明显变化，造成显著的电池极化现象，不利于提高电池的能量效率。此外，在充放电过程中负极产生氧化锌或氢氧化锌沉淀，造成锌离子流失，降低有效容量。因此，如何合理设计电池结构提升其能量效率，延长使用寿命对于双离子二次电池是有重要意义的。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术双离子二次电池面临锌离子流失，降低有效容量，不利于电池能量密度等缺陷，从而提供一种聚苯胺-锌单液流电池及系统。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明第一方面提供了一种聚苯胺-锌单液流电池，包括正极、负极、电解液和隔膜；所述正极包括正极膜层，所述正极膜层包括至少一层活性物质层，所述活性物质层的活性物质包括本征态聚苯胺；所述负极包括锌片；

4、所述电解液在所述聚苯胺-锌单液流电池中单向循环流动。

5、所述电解液沿所述正极至所述负极单向循环流动；或，

6、所述电解液沿所述负极至所述正极单向循环流动。

7、在本发明中，电解液单向循环流动速度与多种因素有关，如电池功率、电极状态、电池尺寸等；例如以正极中所有活性物质层中活性成分聚苯胺的总质量1g为基准，电解液的循环流动速度为0.5ml/min～10ml/min。

8、所述电解液包括锂盐和锌盐；

9、优选地，所述电解液中锂盐的浓度为1-5m；

10、优选地，所述电解液中锂盐的浓度为1.5-2.5m；

11、优选地，所述电解液中锌盐的浓度为0.5-2.5m；

12、优选地，所述电解液中锌盐的浓度为0.8-1.2m。

13、所述锂盐和所述锌盐的阴离子相同；

14、优选地，所述电解液中的阴离子包括硫酸根离子、硝酸根离子、醋酸根离子、三氟甲基磺酸根离子、双三氟甲烷磺酰亚胺离子、四氟硼酸根离子、氯离子和溴离子中的至少一种；

15、优选地，所述电解液中的阴离子包括三氟甲基磺酸根离子、双三氟甲烷磺酰亚胺离子和氯离子中的至少一种。

16、所述正极膜层还包括至少一层碳毡；

17、优选地，所述活性物质层的两侧设置有所述碳毡；

18、优选地，所述碳毡与所述活性物质层交替设置。

19、所述活性物质层的担载量为0.1-1g/cm2；

20、优选地，所述活性物质层的担载量为0.2-0.3g/cm2。

21、所述正极膜层包括2-10层活性物质层；

22、优选地，所述正极膜层包括4-6层活性物质层。

23、所述碳毡的厚度为0.1-1mm；

24、优选地，所述碳毡的厚度为0.25-0.5mm。

25、此处需要说明的是，本发明所述活性物质层的担载量为单层担载量，活性物质层的担载量是活性物质层中所有成分干燥后的单位质量，即用于单层活性物质层中活性物质浆料的干重；所述碳毡的厚度为单层碳毡的厚度。活性物质层设置在相邻两层碳毡之间，即正极膜层的最外侧的上下表面均为碳毡。

26、所述活性物质层的成分还包括锂盐和导电剂中的至少一种；

27、优选地，所述活性物质层中的锂盐与所述电解液中的锂盐相同。

28、所述活性物质层中，所述锂盐与所述本征态聚苯胺的质量比为(5-20):100；

29、优选地，所述导电剂与所述本征态聚苯胺的质量比为(2-10):100。

30、在制备电极时，将活性物质浆料涂覆在碳毡；所述活性物质浆料中溶剂与聚苯胺的质量比为(30-100):100。其中，溶剂可以是但不限于水。导电剂为炭黑、碳纳米管、导电性石墨、科琴黑等，溶剂加入量为本领域常规用量，形成浆料即可，对溶剂的加入量不做具体限定要求。

31、活性物质浆料的制备方法包括：将聚苯胺、锂盐和导电剂研磨混匀，加入溶剂，得到浆料。

32、所述聚苯胺-锌单液流电池满足(1)-(3)中的至少一项：

33、(1)所述正极还包括正极集流体，与所述正极膜层贴合设置；

34、(2)所述负极还包括负极集流体，与所述锌片贴合设置；

35、(3)所述聚苯胺-锌单液流电池还包括壳体，所述壳体设置在所述正极和所述负极外侧；所述壳体还设置有电解液进口和电解液出口。

36、本发明所述聚苯胺-锌单液流电池按照本领域常规方法制备。

37、本发明所述隔膜采用本领域常见隔膜即可，如陶瓷膜、过滤膜等。本发明对隔膜的孔径、厚度均不做要求；例如，采用孔径为0.28-0.8μm的亲水性滤膜作为隔膜，滤膜的材质可以是纤维素、玻璃纤维、尼龙、滤纸等。

38、电解液出口和电解液进口根据电解液的循环方向确定，沿电解液流动方向，电解液进入电池的开口为电解液进口，流出电池的开口为电解液出口。

39、本发明第二方面提供了一种聚苯胺-锌单液流电池系统，包括至少一组上述聚苯胺-锌单液流电池；还包括(1)-(2)中的至少一项：

40、(1)贮存罐，所述贮存罐装有电解液，为所述聚苯胺-锌单液流电池补充电解液；

41、(2)电解液泵，所述电解液泵为所述电解液的单向循环流动提供动力。

42、当系统包括两组及以上聚苯胺-锌单液流电池时，不同电池之间可以串联和/或并联，根据使用需求确定。

43、本发明技术方案，具有如下优点：

44、1.本发明提供的聚苯胺-锌单液流电池，该电池包括正极、负极、电解液和隔膜；所述正极包括正极膜层，所述正极膜层包括至少一层活性物质层，所述活性物质层的活性物质包括本征态聚苯胺；所述负极包括锌片；所述电解液在所述聚苯胺-锌单液流电池中单向循环流动。本发明电池具有能量效率高、结构简单等优点。与非液流电池相比，本发明电池具有充放电电压差小，能量效率高，方便向体系内补充锌离子，延长负极和电池的整体寿命。

45、此外，本发明电池还具有结构简单、可靠性好，以及单泵设计、能耗低、系统能量效率高等优点，本发明电池无需离子交换膜，成本低。

46、2.本发明提供的聚苯胺-锌单液流电池，采用中性电解液，腐蚀性弱、低毒、安全性好，提高了电池整体安全性。

47、3.本发明提供的聚苯胺-锌单液流电池，本发明正极膜层采用多层设计，可以减小电解液流动阻力，从而降低内阻，提高能量效率。

技术特征：

1.一种聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，包括正极、负极、电解液和隔膜；所述正极包括正极膜层，所述正极膜层包括至少一层活性物质层，所述活性物质层的活性物质包括本征态聚苯胺；所述负极包括锌片；

2.根据权利要求1所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述电解液沿所述正极至所述负极单向循环流动；或，

3.根据权利要求1所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述电解液包括锂盐和锌盐；

4.根据权利要求3所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述锂盐和所述锌盐的阴离子相同；

5.根据权利要求1所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述正极膜层还包括至少一层碳毡；

6.根据权利要求5所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述活性物质层的担载量为0.1-1g/cm2；

7.根据权利要求1或5所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述正极膜层包括2-10层活性物质层；

8.根据权利要求5所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述碳毡的厚度为0.1-1mm；

9.根据权利要求3或4所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述活性物质层的成分还包括锂盐和导电剂中的至少一种；

10.根据权利要求9所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，所述锂盐与所述本征态聚苯胺的质量比为(5-20):100；

11.根据权利要求1所述的聚苯胺-锌单液流电池，其特征在于，满足(1)-(3)中的至少一项：

12.一种聚苯胺-锌单液流电池系统，其特征在于，包括至少一组权利要求1-11任一项所述的聚苯胺-锌单液流电池；还包括(1)-(2)中的至少一项：

技术总结
本发明属于电池制备技术领域，具体涉及一种聚苯胺‑锌单液流电池及系统。该电池包括正极、负极、电解液和隔膜；所述正极包括正极膜层，所述正极膜层包括至少一层活性物质层，所述活性物质层的活性物质包括本征态聚苯胺；所述负极包括锌片；所述电解液在所述聚苯胺‑锌单液流电池中单向循环流动。本发明电池具有能量效率高、结构简单等优点。与非液流电池相比，本发明电池具有充放电电压差小，能量效率高，方便向体系内补充锌离子，延长负极和电池的整体寿命。

技术研发人员：肖可风,贺露露
受保护的技术使用者：上海勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5