[发明专利]水性全铜氧化还原液流蓄电池

说明书

技术领域

本公开涉及采用氧化还原液流蓄电池的储能，更具体地，涉及水性全铜蓄电池。

背景技术

在未来几十年中预期的对电的增长需求增加了开发用于由可再生能源例如风和日光进行能源生产的新技术的兴趣。但是，这些新的可再生能源的成功需要与竞争性储能设备的引入相结合，该竞争性储能设备用于负载均衡和调峰以致这些可再生能源能够与栅极连接。以这种方式，可以克服可再生能源的不可预期且间歇的产能行为的问题。对于电能存储，已示出电化学设备例如蓄电池和超级电容器与目前采用的其他储能系统相比，提供更高的效率。

还原-氧化即氧化还原液流蓄电池(RFB)以化学的形式存储电能并且随后经由自发的逆氧化还原反应以电的形式分配存储的能量。氧化还原液流蓄电池是电化学存储设备，其中含有一个或多个溶解的电活性物质的电解质流经反应器电池，在此将化学能转化为电能。或者，能够使经放电的电解质流经反应器电池以致将电能转化为化学能。在液流蓄电池中使用的电解质通常由溶解于溶剂中的金属盐组成，将其存储在大的外部箱中并且根据施加的充电/放电电流将其泵送经过电池的每侧。通过泵送、重力自流进料、或者采用使流体移动经过系统的任何其他方法，能够使外部存储的电解质流经蓄电池系统。液流蓄电池中的反应是可逆的，并且能够在没有更换电活性材料的情况下将电解质再充电。因此氧化还原液流蓄电池的能量容量与总电解质容积例如存储箱的大小有关。在满功率下氧化还原液流蓄电池的放电时间也取决于电解质容积并且常常从几分钟变化到许多天。

在各种用于储能的电化学设备中，与其他蓄电池技术相比，由于它们较高的容量，氧化还原液流蓄电池是海量存储的最佳选择之一。RFB通常采用两个在水性或有机介质中以高浓度可溶的氧化还原对，将它们存储在两个外部箱中并且泵送到电化学反应器中，在此将氧化还原对的一种物质转换为另一种，取决于对设备进行充电还是放电来存储或传输电子。电化学反应器可以由两电极电池的堆组成。两个电极通常由石墨双极板和碳毡组成。通过离子交换膜例如Nafion将这些电极分离以避免正和负半电池电解质的混合。

自1973年Fe-Cr液流电池的首次出现，已广泛地开发了多种RFB，包括杂化系统和化学再生氧化还原燃料电池。但是，只有铁-铬、全钒(VRB)、锌-溴和钠-聚硫醚(PSB)电池已接近全面商业化。在这点上，电极中采用的不同材料、膜和电解质的成本的降低对于促进RFB在全球市场中的引入是必要的。

以前在B.Kratochvil和K.R.Betty的文章(J.Electrochem.Soc.,121(1974)851 854)和P.Peljo,D.Lloyd,N.Doan,M.Majaneva,K.Kontturi的文章(PCCP,16(2014)2831-2835)中已报道了基于乙腈的全铜氧化还原蓄电池，在W.W.Porterfield,J.T.Yoke的文章(Inorganic Compounds with Unusual Properties,ACS Publications,Washington,DC,第104页,1976)中已报道了基于离子液体的全铜氧化还原蓄电池，以及在D.Lloyd,T.Vainikka和K.Kontturi的文章(Electrochim.Acta,100(2013)18–23)中已报道了基于低共熔溶剂的全铜氧化还原蓄电池。但是，由这些系统支持的电流还相当低。

L.Sanz,J.Palma,E.García,M.Anderson,J.的文章(Power Sources 224(2013)278-284)公开了在1M的铜浓度下氯化物介质中Cu(I)/Cu(II)氧化还原对的电化学可逆性的程度的研究。只讨论了正半电池反应。发现该氧化还原对的峰值电位分离的值与由钒氧化还原对显示出的那些相当，表明准可逆性行为。此外，观察到Cu(I)/Cu(II)氧化还原对的表观电位向正得多的值的明显位移，达到由Fe(III)/Fe(II)氧化还原对显现出的实验电位，其也已被广泛地应用于液流电池中，例如在杂化全铁构造和更近期的Fe-V RFB中。

在全铜系统准备工业规模应用之前，需要解决已知的全铜系统中遇到的低电流问题。而且，由将不相似的元素用于两个电极反应所产生的跨越电池膜的交叉污染是忧虑所在，原因在于其降低稳定性并且缩短现有的RFB的寿命周期。

仍需要可负担得起的工业规模氧化还原液流蓄电池设计，其能够提供技术上有用的能量效率，同时使用成本有效的电池材料。而且，该蓄电池的运转应该是环境上和职业上安全的并且可容易地扩大规模。

发明内容