[发明专利]特征为大的负极半电池电势的电化学储能系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月19日提交的美国专利申请号61/739,237的优先权，且为2013年7月13日提交的美国专利申请号13/948,497的部分连续案，13/948,497为2013年3月12日提交的美国专利申请号13/795,878的部分连续案，13/795,878自身要求以下申请的优先权：美国申请号61/739,145，2012年12月19日提交，美国申请号61/738,546，2012年12月18日提交，美国申请号61/683,260，2012年8月15日提交，和美国申请号61/676,473，2012年7月27日提交。每个上述申请通过引用以其全文并入，用于任意或全部目的。

技术领域

本公开涉及储能系统领域，包括电化学储能系统、电池和液流电池系统，及其操作方法。

背景

对用于于储能的安全、便宜、易于使用和可靠的技术存在长期需求。大规模储能允许能源供应的多样性和能源网的优化。现有的可再生能源系统(例如太阳能和风能基站系统)随着能源生产者探索非矿物燃料能源变得愈加重要，然而，当日光不可用且当不刮风时，需要储存以保证高质量的能源供应。

电化学储能系统已经计划用于大规模储能。但是现有的储存系统受到许多性能和成本的限制，包括，例如，分离的能量和功率、系统可放大性、循环能量效率(RT_Eff)、循环寿命和其它领域。

尽管有显著的发展成果，但还没有液流电池技术取得广泛的商业采纳，因为物质和工程障碍使得系统经济上不利。因此，在本领域中需要改进的液流电池。

概述

本发明解决了这些问题。在一个实施方案中，本公开在一个方面提供了低成本储能，其使用含水温和电解质和显示可逆的电化学及可调节的氧化还原电势的氧化还原活性部分。这通过电解质、活性物质和电极组成的选择来实现，以产生在高电压下操作的有效电池。

传统的液流电池活性物质包含在酸性或腐蚀性电解质中的简单的过渡金属盐和/或卤素离子作为正极|负极活性物质(例如：铁-铬：Fe^3+/2+ |Cr^3+/2+；钒：VO₂⁺/VO²⁺|V^3+/2+；锌-溴：Zn(OH)₄^2-/Zn|Br₂/Br^-；氢-溴：H⁺/H₂|Br₂/Br^-)。在该构造中，总体电池性质(能量密度、电池电压、充电/放电速率等)受限于贱金属/卤素离子的固有化学性质。特别地，现有技术教导的负极电对可各自显示足够的电动势，但却具有差的电极动力学(例如Cr^3+/2+)；显示适度的电动势，具有适度的电极动力学(例如V^3+/2+)；在负极上的板金属妨碍了堆尺寸和放电时间的分离，并在整个循环中带来枝晶生长(例如Zn^2+/0)；或显示适度的电动势且需要可燃气体管理(例如H⁺/H₂)。已经有相当多的关注集中在克服这些缺陷，但未成功。反而，最近的储能技术大部分教导布置和操作电池堆的新方法和改进电解质及电极，其仅解决了小的缺陷而不是高效储能的广泛需求。

本公开描述了新型化合物，其克服了现有技术带来的缺陷。本文描述的氧化还原活性金属配体配位化合物提供包含低成本、地球富含的元素的活性物质和显示高的溶解度(允许高储能密度)和高电动势(例如，包括高的负极电势)和快速电极动力学的材料，其使得储能装置在高电流密度下能操作。通过对这些电解质、活性物质和电极组合物中的合理选择，液流电池能在高电池电压下操作并具有高效率。具有本发明描述的物质组成的活性物质可用于储能系统，使得将它们与其它的活性物质配对以形成正极电对和负极电对，其中所述其它的活性物质为本发明描述的或本领域先前已知的或它们的组合，包括那些包含可溶物、半固体、嵌入物、电容的或赝电容的、或镀覆型活性物质。亦即，本发明可用于储能系统的两个半电池，或作为系统中的一个半电池，其中另一个半电池为例如Fe^2+/3+、Br₂/Br^-、H⁺/H₂、VO²⁺/VO₂⁺或另一个半电池。