一种铁基离子热电池电解液及其制备方法与离子热电池

本发明涉及电池，尤其涉及一种铁基离子热电池电解液及其制备方法与离子热电池。

背景技术：

1、离子热电池可直接将低温废热转化为电能，无需热力循环中间环节，在分布式余热回收领域具备巨大应用潜力。fe2+/fe3+氧化还原电对储量丰富、成本低廉、电化学可逆性好、不存在碘基体系挥发腐蚀问题，是新一代离子热电池理想电对。传统铁基离子热电池电解液多采用纯水或单一有机溶剂体系，存在两大固有缺陷：1、溶剂化结构趋同：水分子均匀包覆fe2+、fe3+，两种价态阳离子溶剂化环境高度相似，温差驱动下离子迁移熵变差值极小，导致电解液热电势较低，塞贝克系数较低；2、氢键网络致密：大量游离水分子形成连续氢键网络，包裹金属离子形成致密溶剂化壳层，离子解离、迁移能垒高，电解液离子电导率差，输出功率密度难以提高。然而，目前的技术手段还无法同时提升铁基离子热电池电解液的塞贝克系数和输出功率密度。

2、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铁基离子热电池电解液及其制备方法与离子热电池，旨在解决铁基离子热电池电解液的塞贝克系数和输出功率密度难以同时提升的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种铁基离子热电池电解液的制备方法，其中，包括如下步骤：

4、提供含有氧化还原电对的水溶液，所述氧化还原电对由fe2+和fe3+构成；

5、将丁二腈、1,3,5-三噁烷混合加热，形成共晶混合物；

6、将所述共晶混合物加入到所述含有氧化还原电对的水溶液，得到所述铁基离子热电池电解液。

7、可选地，所述含有氧化还原电对的水溶液中，所述fe2+的浓度为0.1~2 mol/l，所述fe3+的浓度为0.1~2 mol/l。

8、可选地，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的摩尔比为（1~3）:（1~3）。

9、可选地，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的总摩尔数与含有氧化还原电对的水溶液的体积比为（7~9）mol:1l。

10、可选地，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的摩尔比为1:1，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的总摩尔数与含有氧化还原电对的水溶液的体积比为8 mol:1l。

11、可选地，所述含有氧化还原电对的水溶液的制备方法包括如下步骤：

12、将三价铁盐和二价铁盐与水混合后，得到所述含有氧化还原电对的水溶液。

13、可选地，所述三价铁盐包括三氟甲磺酸铁；所述二价铁盐包括三氟甲磺酸亚铁。

14、本发明的第二方面，提供一种铁基离子热电池电解液，其中，采用本发明如上所述的制备方法制备得到。

15、本发明的第三方面，提供一种离子热电池，所述离子热电池包括冷端电极和热端电极，以及位于所述冷端电极与所述热端电极之间的电解液，其中，所述电解液包括本发明如上所述的铁基离子热电池电解液。

16、可选地，所述冷端电极与所述热端电极采用相同的材料。

17、有益效果：本发明在铁基离子热电池电解液中引入丁二腈与1,3,5-三噁烷的共晶混合物，其中，丁二腈能够选择性外层配位fe2+制造熵差、1,3,5-三噁烷嵌入fe2+和fe3+内层溶剂化壳层破坏氢键提升电导率，两者协同同步提升塞贝克系数和输出功率密度，提高电解液热电性能。具体地，基于软硬酸碱理论，fe3+为高电荷密度硬酸，极高的电荷密度使其仅与水分子这类硬碱稳定结合，完全排斥交界碱丁二腈的氰基；fe2+属于交界酸，可与丁二腈的氰基产生弱偶极作用，二者溶剂化分子数量与空间构型差异极大，显著拉大氧化还原反应的溶剂化熵变差值，提高塞贝克系数。1,3,5-三噁烷是含多醚氧的环状硬碱，醚氧可同时竞争fe2+、fe3+溶剂化壳层中的水分子，置换部分内层配位水，减弱金属离子与溶剂的束缚；同时1,3,5-三噁烷的醚氧会与游离水分子形成竞争氢键，打断电解液中连续三维水分子氢键网络，降低溶液粘度与离子迁移解离能垒，同步加快fe2+、fe3+迁移速率，从根源优化离子传输动力学，提高输出功率密度。

18、本发明提供的铁基离子热电池电解液的塞贝克系数可显著提升至2.32 mv k-1，赋予了电池极高的电压响应。同时，在50 k的温差驱动下，基于本发明提供的铁基离子热电池电解液的电池的输出功率密度可达235 mw m-2。本发明有效解决了现有铁基离子热电池中热响应电压与输出功率密度难以同步提升的问题，为低品位热能的高效捕获与转化提供了强有力的技术支撑。

1.一种铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，所述含有氧化还原电对的水溶液中，所述fe2+的浓度为0.1~2 mol/l，所述fe3+的浓度为0.1~2 mol/l。

3.根据权利要求2所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的摩尔比为（1~3）:（1~3）。

4.根据权利要求2所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的总摩尔数与含有氧化还原电对的水溶液的体积比为（7~9）mol : 1 l。

5.根据权利要求1所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的摩尔比为1:1，所述丁二腈与1,3,5-三噁烷的总摩尔数与含有氧化还原电对的水溶液的体积比为8 mol : 1 l。

6.根据权利要求1所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，所述含有氧化还原电对的水溶液的制备方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的铁基离子热电池电解液的制备方法，其特征在于，

8.一种铁基离子热电池电解液，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。

9.一种离子热电池，所述离子热电池包括冷端电极和热端电极，以及位于所述冷端电极与所述热端电极之间的电解液，其特征在于，所述电解液包括权利要求8所述的铁基离子热电池电解液。

10.根据权利要求9所述的离子热电池，其特征在于，所述冷端电极与所述热端电极采用相同的材料。