[发明专利]用于电化学装置的共溶剂电解质

说明书

一种用于稳定电极使其免于溶解和/或水解的系统和方法，包括在液体电解质电池中使用共溶剂，用于以下三种目的：延长在液体电解质中部分可溶的电极的日历寿命和循环寿命，限制在电池运行期间作为副反应的使水水解成氢和氧的速率的目的，以及减少成本的目的。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月31日提交美国专利申请号14/231,571和2013年4月10日提交的美国专利申请号61/810,684的权益，其内容都在此通过引用以其整体并入，用于所有目的。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明由政府支持下的美国能源部(DOE)先进能源研究计划署(ARPA-E)基金号DE-AR000300的资助的Alveo Energy，Inc.公司完成。政府在本发明中享有一些权利。

技术领域

本发明总体涉及电化学装置，并且更具体地但不排除性地涉及共溶剂基的液体电解池。

背景技术

背景部分描述的主题物不应当仅因为其在背景部分中的提及而被假设为现有技术。类似地，在背景部分中提及的或与背景部分的主题物相关的问题不应当被假设为以前已经在现有技术中认识。背景部分中的主题物仅表示不同的方法，这些方法本身和本质上也可为发明。

已经开发了用于便携式应用和固定式应用的宽种类的电池技术，包括铅酸电池、锂离子电池、镍/金属氢化物电池、钠硫电池和液流电池等。(参见下文的参考文献1。)由于过高的成本、差的循环寿命和日历寿命，以及快速循环期间的低能量效率，这些技术中没有一项常用于设计电网的稳定化和可靠性的应用。然而，尽管在日益增加对极易散失的太阳能和风能，但是很可能需要更低成本更长寿命的电池以使电网保持可靠。

现有电池电极材料不能支持足够的深度放电循环，因为这些电池以物当所值的方式来包含这些材料以用于大多数与电网有关的应用。(参见下文的参考文献1。)类似地，电动车和混合动力车中发现的电池仅在谨慎地部分放电循环的情况下才具有长寿命，这导致了繁重、巨大、昂贵的电池系统。大多数现有的电池电极材料在快速循环期间的性能受用于离子运输的差的动力学的限制，或者受复杂的多相位运行机制的限制。

以前已经示出了使用普鲁士蓝类似物作为水性电解质电池中的电极，所述普鲁士蓝类似物是化学同是为A_xP_y[R(CN)₆]_z·nH₂O(A＝碱金属阳离子，P和R＝过渡金属阳离子，0≤x≤2，0≤y≤4，0≤z≤1，0≤n)更大类的过渡金属氰化物配位化合物(TMCCC)的子类群。(参见参考文献1至7。)与其他嵌入机制的电极相比，TMCCC电极具有更长的深度放电循环寿命和更高的倍率能力，并且它们在水性电解质中具有最高性能。TMCCC阴极依赖于Fe(CN)₆复合物中的离子在高电势下的电化学活性。另一方面，TMCCC阳极包含电化学活性的碳配位的锰或铬。

在对称性电池中，阳极和阴极各自都是TMCCC，对该电池的开发是期望的，因为TMCCC具有更长的循环寿命，并且可在比其他电极系统更高的充电/放电倍率下运行。如果将一个TMCCC电极与不同种类的电极配对，则很可能完整电池将不持续这么久，或者不提供与包括TMCCC阳极和TMCCC阴极的对称性电池相同的高倍率能力。

TMCCC阴极得到了良好理解，并且以前已经展示了进行超过40,000次深度放电循环的TMCCC阴极。(参见参考文献2。)这些阴极通常在相对于标准氢电极(SHE)约0.9V至1.1V下运行。(参见参考文献8。)使用TMCCC阴极来开发实际电池的一个挑战是它们在水性电解质中的痕量可溶性。它们部分地溶解于电池电解质中，这可导致因电极治疗损失所致的电池充电容量降低以及因与阴极溶解产物的副反应所致的效率降低。