[发明专利]不含金属的用于网格规模储能的有机氧化还原液流电池

说明书

液流电池包括正电极、正电极电解质、负电极、负电极电解质和置于正电极与负电极之间的聚合物电解质膜。所述正电极电解质包括水和第一氧化还原对。所述第一氧化还原对包括第一有机化合物，所述第一有机化合物包括与第二部分共轭的第一部分。所述第一有机化合物在放电过程中被还原，而在在充电过程中，第一有机化合物的还原产物被氧化成第一有机化合物。所述负电极电解质包括水和第二氧化还原对。第二对包括第二有机化合物，所述第二有机化合物包括与第二部分共轭的第一部分。第二有机化合物的还原产物在放电过程中被氧化成第二有机化合物。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月17日提交的美国临时申请号61/835,746的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及不含金属的有机氧化还原液流电池。

背景技术

有机氧化还原液流电池对于满足网格规模储能需要的性能、成本和可持续性要求特别有吸引力。广泛已知的是，从太阳能和风能资源生成可再生能量的间歇性需要大规模储能可用于在变电站(甚至在住宅)的网格上的负荷转移或调峰。随着估计的约50-60万亿瓦小时/天的全球电力生产，即使仅储存该能量的20％，在假定中度的比能为50Wh/kg的15年时间内需要调度100-150亿吨的电池。评估该需要的规模的参考点是，其是世界钢铁工业的5倍大，在世界钢铁工业中全球每年开采28亿吨铁矿。对网格规模储能电池的惊人数量级的该需求不仅对成本和耐久性施加了最严格的要求，而且也对生态友好性和可持续性施加了最严格的要求。最近在能源部的新技术方案的途径中强调了生态友好性和可持续性的要求。

电池系统的资本成本主要由材料成本、系统设计的复杂性以及性能特征如能量密度、功率密度、耐久性和效率来确定。可持续性由资源限制因素、制备和再循环过程的生态友好性来确定。尽管一些更成熟的系统(如钒氧化还原和锌-氯)逐渐转向大规模实施，但高的相关费用控制了成本降低。此外，一些现有电池技术使用环境不良的重金属如和/或铬。铁-空气和二氧化锰-碳系统从成本和可持续性观点来看是有希望的。然而，这些技术不是基于可再生资源，从而使其长期可持续性不确定。应当理解的是，避免使用金属的基于碳资源的电池可以提供除了便宜以外的长期可持续性。

因此，存在对于在使用便宜材料的同时生态友好的改进的氧化还原液流电池系统的需要。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供有机氧化还原液流电池(ORBAT)解决了现有技术的一个或多个问题。所述液流电池包括正电极、正电极电解质、负电极、负电极电解质和置于正电极与负电极之间的聚合物电解质膜。正电极电解质包括水和第一氧化还原对。所述正电极电解质在正电极上流动并接触正电极。第一氧化还原对包括第一有机化合物和第一有机化合物的还原产物，所述第一有机化合物包括与由式2所表示的第二部分共轭的由式1所表示的第一部分：

其中：

Y₁和Y₂各自独立地为O或NR；和

R为H或碳原子。

在放电过程中，第一有机化合物被还原；而在充电过程中，第一有机化合物的还原产物被氧化成第一有机化合物。负电极电解质包括水和第二氧化还原对。负电极电解质在正电极上流动并接触正电极。第二对包括第二有机化合物和第二有机化合物的还原产物，所述第二有机化合物包括与由式4所表示的第二部分共轭的由式3表示的第一部分：

其中：

Y₃和Y₄各自独立地为O或NR₁；和

R₁为H或碳原子；和