SPR光谱复合方法在线检测全钒液流电池电解液

Vanadium redox flow battery (VRB) technique is one of the most promissing energy storage techniques due to its benefits of large-scale, long life and environmentally friendly. However, the imbalance of the electrolytes restricts the development of the VRB, and hence an online detection techniuqe is demanded to monitor the valences and concentrations of the electrolytes. Nevertheless, none of the existing techniques is capable of online detection of the VRB electrolytes, including open circuit voltage (OCV), potentiometric titration, chromatography and spectrophotometry. In this study, a complex novel optical detection method based on SPR and spectroscopy is proposed: (1) The surface plasmon resonance (SPR) method: A new optical tecnique is developed with high dynamic range, multiple channels, high resolution and high metal film tolerance, which is suitable for online detection of VRB electrolytes, based on the sensitive optical detection technique of SPR. (2) The transmittance spectral method: In order to solve the problems of high absorptance and interference between components, the transmitttance spectrum is used as the detection result instead of the absorptance spectrum to increase the signal to noise ratio (SNR), also the whole data of a spectrum is used instead of one data at certain wavelength to distinguish spectra of electrolytes. Combining the two detection methods,we will be able to online monitor the electrolytes of VRB with multiple channels, multiple paramters and high resolution. This combined optical detection techniuqe can not only monitor the level of imbalance of the VRB, but also provide a means for the dynamic study of the chemical reactions in VRB.

全钒液流电池（VRB）技术因其易规模化、寿命长、环境友好等优点成为最有前景的储能技术之一，但电解液的失衡问题限制了它的发展，亟需一种在线检测电解液价态和浓度的技术。然而，现有的开路电压法、电位滴定法、色谱法、分光光度计法等均不适合在线检测VRB电解液。本课题中提出结合表面等离子体共振（SPR）技术和光谱技术的复合型光学检测方法：(1) SPR：基于SPR这种高灵敏的光学检测手段，建立一种适合在线检测VRB电解液的大动态范围、多通道、高分辨率、高金属膜适应性的新型SPR检测技术。（2）透射光谱法：针对VRB电解液吸收系数大，组分之间存在干扰的难题，用透射光谱代替吸收光谱作为检测结果来提高信噪比，使用整个光谱而不是单一波长的数据来进行电解液的区分。将这两种各有优势的方法结合起来，能够多通道、多参数、高分辨率地在线检测VRB电解液，不仅有利于监控VRB失衡状况，还为反应动力学研究提供工具。

全钒液流电池（英文VRFB、VFB或VRB，简称钒电池）技术因其易规模化、寿命长、环境友好等优点成为最有前景的储能技术之一，但电解液的失衡问题限制了它的发展，亟需一种在线检测电解液价态和浓度的技术。然而，现有的开路电压法、电位滴定法、色谱法、分光光度计法等均不适合在线检测VRB电解液。本课题中，提出基于表面等离子体共振（SPR）的折射率检测技术和新型光谱技术的钒电池电解液成分的在线检测技术。SPR检测方面，基于项目组此前提出的并行扫描角度谱SPR检测方法，在去散斑、延长传感膜层寿命、提高折射率分辨率、减小温度影响、非扫描多通道检测等方面进行深入研究，取得众多成果；研制了适用于钒电池在线检测的折射率检测系统，并首次检测确定了钒电池电解液折射率与成分之间的定量关系；还提出了折射率、开路电压共同测量电解液中全部离子浓度的新方法，以及基于SPR的钒电池反应速率的检测方法。光谱检测技术方面，针对钒电池正极电解液中钒离子浓度高、吸光度大，且四五价钒离子存在相互作用导致不满足吸收定律的难题，本项目研制出了高信噪比的钒电池透射光谱在线检测系统，通过在线测量钒电池电解液流过0.5-1mm超薄流池的透射光谱，并与建立的光谱数据库中数据进行对比，能够在线得到所测电解液的成分；应用研制的钒电池电解液光谱在线检测系统对充放电循环中钒电池进行的在线检测，并研究了钒电池的容量衰减规律和容量恢复对策的作用；基于0.2mm超薄比色皿探索了进一步简化光谱在线检测仪的吸收光谱方案；提出并实践了钒电池正极副反应的快速检测方法。本项目的光学在线检测技术能够在线检测钒电池电解液成分的变化，为深入理解钒电池机理提供了手段；特别是，本项目中还提出基于光谱和SPR的钒电池副反应的在线检测技术，首次实现钒电池副反应的快速、在线检测，为钒电池领域乃至电化学领域的电化学反应动力学研究提供了全新的研究方法和工具。