[发明专利]能在电化学反应中操作的阴极和相关的电池、装置以及方法

说明书

相关专利申请

本申请要求于2013年6月7日提交的美国临时申请S.N.61/832,236(G.Soloveichik等人)；和2013年6月7日提交的S.N.61/832,221(G.Soloveichik)的权益。这两个申请的内容均通过引用并入本文。

背景

电网规模的电能储存(EES)指的是大规模地将电力储存在电力网中的方法。简言之，在当发电厂的产量超过消耗量的时间期间储存电能。当消耗量超过产量时，使用储存的电力。以该方式可将电力的生产保持在更稳定的水平。由此，可更有效和容易地操作燃料基发电厂(即煤、油、气)。此外，关于电网连接的“间断性能量源”的效果，例如太阳能(光电的)和风能涡轮，存在更多的可预测性和更大的灵活性。由此，电网规模的EES是和可再生能源的使用有关的一个重要方面。然而，现行可用的EES技术常常以高成本操作和/或并非实际可缩放。

氧化还原(氧化还原)液流电池(RFB)被认为是用于EES的强有力的候选物，这归因于它们分离电力和能量的能力、它们的灵活布置和它们潜在的低成本。然而，当前使用的电极材料(例如钒或溴)的低能量密度(20-50Wh/kg)和高材料成本抑制RFB对市场的广泛渗透。除了昂贵的全钒装置外，大多数其它RFB化学物质包括可对交叉污染敏感的阴极电解液-阳极电解液系统。该污染不可通过使用离子交换膜来防止，并由此成为可需要活性材料再加工的主要问题。像这样的另外的加工步骤可增加维护成本和停工期，并减少RFB装置的寿命。通常，对于降低或消除像那些使用RFB的EES技术中的两个主要缺点：低能量密度和高材料成本，存在相当的兴趣。

贮能装置(像液流电池)的另一个重要的用途是电动车辆(EV)。对于现代EV，已放弃使用不实用的重铅酸电池。尽管高度进步的电池化学物质(像锂离子)显示出应用于现代EV的巨大前景，但仍留有严重缺点。例如，在EV中，电池系统仍通常代表最昂贵和最重的组件。此外，出于安全考虑，电池系统周围常常需要金属或“装甲”外覆。外覆可向EV增加另外的重量。这可继而对电池提出更大的要求；并可在必须再充电之前减少操作时间。不像锂离子和其它电池系统类型，液流电池可方便地在物理意义上分离阴极和阳极组件，并且这可降低在电池的电极组件彼此紧靠放置时可出现的危险。

由上述考虑而应明显的是，新型液流电池和电池内的组件将为本领域所期望。例如，具有增加能量密度的潜力的液流电池对于多种终端用途将显示出可观的进步。结合通过液流电池设计(例如，阴极和阳极的选择性位置)容许的灵活性，电池化学成分的相对低成本将代表另一个期望的属性。此外，形成电池的一部分的新型电极(例如阴极)可极好地用于其它电化学应用和相关系统，例如燃料电池和传感器。

简述

本发明的一个实施方案涉及液流电池(有时称为“液流-辅助电池”)，其包含：

(a)第一室(阴极电解液)，其包含卤素含氧酸化合物的至少一种盐的水性溶液；

(b)第二室(阳极电解液)，其包含能够参加与组分(a)的盐的还原-氧化(氧化还原)反应的电化学-活性材料的水性溶液；

(c)至少一种离子-渗透膜，其分离第一室和第二室；和

(d)用于使水性溶液流动通过电池的装置。

另一个实施方案涉及能够在电化学反应中操作的阴极。该阴极包含卤素含氧酸的至少一种盐的水性溶液。

另一个实施方案涉及向装置、系统或车辆提供电能的方法。该方法包含将至少一种如本文所述的液流电池电连接至装置、系统或车辆的步骤。

本发明实施方案的另外的方面和/或优点将阐述于以下描述中。

附图简述

图1为根据本发明一个方面的液流电池的简化示意图。

图2为根据本发明另一方面的液流电池的简化示意图。

详述

本发明的一个实施方案涉及含有至少一个电化学电池的液流电池。一个或多个电化学电池包含卤素含氧酸盐和阳极。阳极可包含液体有机氢载体或金属。通常，含氧酸化合物遵循通式HXO₃，其中X为氯、溴或碘。相应的盐分别为氯酸盐、溴酸盐和碘酸盐。

关于氯，相应的氯酸的盐(即氯酸盐)经常选自：氯酸钠、氯酸钾、氯酸锂、氯酸钙、氯酸镁、氯酸锌；和它们的组合。关于溴，相应的溴酸的盐(即溴酸盐)经常选自：溴酸钠、溴酸钾、溴酸锂、溴酸钙、溴酸镁、氯酸锌；和它们的组合。关于碘，相应的盐(即碘酸盐)经常选自碘酸钾、碘酸钠或它们的组合。