СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА ДЛЯ ВАНАДИЕВЫХ РЕДОКС БАТАРЕЙ Российский патент 2020 года по МПК H01M8/06 H01M8/18 

Изобретение относится к области химических источников тока и может быть использовано как основной компонент для изготовления проточных накопителей энергии. Изобретение относится к способу изготовления ванадиевого электролита для ванадиевых проточных окислительно-восстановительных батарей (ВРБ). Техническим результатом изобретения является улучшение проводимости ванадиевого электролита и расширение температурного предела работоспособности батареи. Согласно изобретению предложен способ получения электролитов в ванадиевых редокс батареях, в которых используют растворы ванадиевых солей в смесях растворов серной и соляной кислот.

Настоящее изобретение относится к электрохимической технологии и, в частности, к кислотным электролитам, предназначенным для применения в химических источниках тока.

Развитие современной энергетики требует создания новых видов накопителей энергии, обладающих, прежде всего, высокой кулоновской эффективностью, продолжительным сроком службы, безопасностью и расширенным температурным диапазоном. Энергетические и эксплуатационные характеристики аккумуляторов определяются свойствами используемой электрохимической системы.

Для получения электролитов для ванадиевых редокс батарей существует несколько способов. Известны способы получения различных составов электролитов, описанные в патентах CN 102881933 В, CN 106299432 A, CN 101174705 А, RU 2251763 C2. Как правило, используют химические методы с растворами серной и соляной кислот. Однако рабочий температурный диапазон известных электролитов в области низких температур не достигает -40°С

В настоящем изобретении в качестве способа получения электролита для ванадиевых редокс батарей предложено использовать три различных этапа. На первом этапе приготавливается раствор ванадиевых солей в смесях растворов соляной и серной кислоты. Результатом первого этапа является раствор ванадиевых солей с валентностью ванадия (+4). На втором этапе электролит пропускается через электрохимическую ячейку с перфторированной протонпроводящей мембраной. При этом в результате электрохимической реакции на одном электроде происходит восстановление ванадия до валентности (+3), а на другом электроде - окисление до валентности (+5). Протонпроводящая мембрана обеспечивает отсутствие перемешивания растворов солей разной валентности между собой. Признаком окончания электрохимического этапа является получение электролита, в котором половина ионов ванадия окислена до валентности (+3), а половина до валентности (+4), условно можно такую смесь обозначить как валентность (+3,5). При этом, электролит, полученный на другом электроде с состоянием (+4,5) возвращается на первый этап изготовления. На третьем этапе происходит добавление в электролит (+3,5) аэросила с размером частиц не более 40 нм. Применение аэросила с такой дисперсностью частиц за счет своих физико-химических свойств существенно улучшает свойства электролита, что позволяет значительно понизить нижний температурный предел работоспособности ванадиевых редокс батарей и улучшить его проводимость.

Пример получения электролита.

Для приготовления электролита используют следующее соотношение компонентов, (в граммах на литр готового электролита):

пентаоксид ванадия - 136,5;

серная кислота - 254;

соляная кислота - 149,5;

щавелевая кислота - 2,5-3,5;

аэросил с размером частиц не более 40 нм - 1,4;

Порядок приготовления ванадиевого электролита: в деионизированную воду вводили необходимое количество серной кислоты при постоянном перемешивании. Пентаоксид ванадия и щавелевую кислоту вводили в мольных соотношениях 1:1 в электролит при температуре 75-80°С и при постоянном перемешивании. В часть данного раствора добавляли необходимое количество соляной кислоты и перемещали в отрицательную ячейку энергогенерирующегося устройства, остаток электролита без добавления соляной кислоты перелили в положительную ячейку. Электрохимическое устройство состоит из двух емкостей с электролитами, электродного блока, где протекает электрохимическая реакция, который содержит два графитовых электрода и перфторированную протонпроводящую мембрану. Все данные фиксировал потенциостат. Далее подавали ток из расчета размеров электрода и объема электролита. В отрицательной ячейке получили ванадиевый электролит с валентностью 3,5. На последнем этапе добавили аэросил с размером частиц не более 40 нм в количестве 0,2 г/л.

Определяли проводимость электролита при температурном диапазоне от -40 до +60°С и сравнивали с зарубежными аналогами. Электролит в данном температурном диапазоне стабилен, проводимость повысилась на 20% во всем температурном диапазоне, температурный предел работоспособности расширился до -40°С.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве ванадиевых электролитов для ванадиевых проточных окислительно-восстановительных редокс батарей (ВРБ). Техническим результатом изобретения является улучшение проводимости ванадиевого электролита на 20% по сравнению с другими электролитами и расширение температурного предела работоспособности ВРБ до -40°С. В качестве электролитов в ванадиевых батареях предложено использовать растворы ванадиевых солей в смесях растворов серной и соляной кислот с добавкой аэросила (диоксида кремния) с размером частиц до 40 нм. Изготовление электролита происходит в 3 этапа: химический этап - растворение пентаоксида ванадия в смеси кислот; электрохимический этап - использование электрохимического устройства, состоящего из двух или более графитовых электродов, разделенных между собой перфторированной протонпроводящей мембраной, для получения ванадиевого электролита с валентностью (+3,5); этап доводки электролита путем добавления аэросила с размером частиц не более 40 нм. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ приготовления ванадиевого раствора электролита, предназначенного для проточных окислительно-восстановительных батарей, включающий химический этап, электрохимический этап с получением ванадиевого электролита с валентностью +3,5, а также этап доводки электролита, отличающийся тем, что на первом этапе в деионизированную воду вводят при постоянном перемешивании необходимое количество серной кислоты, пентаоксид ванадия и щавелевую кислоту в мольных соотношениях 1:1, при температуре 75-80°С, после чего в часть раствора добавляют соляную кислоту и помещают в отрицательную ячейку, а другую часть раствора помещают в положительную ячейку электрохимического устройства для проведения электрохимического этапа, после чего на последнем этапе приготовления электролита в него добавляют аэросил (диоксид кремния) с размером частиц не более 40 нм в количестве 0,01-1,4 г/л.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрохимическое устройство состоит из двух или более графитовых электродов, разделенных между собой перфторированной протонпроводящей мембраной.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приготовлении электролита используются следующие компоненты, г/л:

пентаоксид ванадия 100-150 серная кислота 200-300 соляная кислота 100-200 щавелевая кислота 2-4 аэросил А-380 0,01-1,4