[发明专利]用于电化学电池的电极及其组合物

说明书

本发明涉及用于电化学电池中的电极，这样的液流蓄电池，尤其是锌‑溴液流蓄电池或氢/溴液流蓄电池，以及制造和使用该电极的方法。要求权利保护的电极包含金属基材和施加至所述基材上的催化涂层，其中该催化涂层包含钌和铂的富含Ru的混合物，该混合物包含优选70‑80摩尔％Ru、1‑5摩尔％Pt和17‑25摩尔％Ir。尽管该要求权利保护的催化涂层组合物的Ir/Ru比和Pt/Ru比相对低，但是其呈现出乎预料地高的电压效率和操作使用期。位于下面的金属基材例如为多孔Ti层或包含钛低价氧化物Ti_xO_y的层。

发明领域

本发明涉及用于例如待在能量存储用的可再充电蓄电池中使用的电化学电池和系统的电极。

发明背景

电化学电池和系统(例如可再充电的蓄电池和燃料电池)在各种各样的应用(例如能量存储、转化和管理)中起关键作用；特别地可采用它们来解决与可再生能量来源和不可再生能量来源两者关联的栅极(grid)稳定性问题。

在可再充电的蓄电池中，由于液流蓄电池的有限成本、高效率、模块化和易运输性，液流蓄电池代表对于以上应用特别有利的解决方案。

液流蓄电池通常包含多个电化学电池并且经由溶解在液体电解质中的一种或多种电活性化合物提供能量存储。例如在锌溴液流蓄电池中，将溴化锌水溶液储存在两个槽中并且可使该溴化锌水溶液循环经过系统。在蓄电池的充电循环过程中，在负电极表面处从电解质溶液电镀金属性锌，同时在正电极处形成溴。在放电时发生相反的过程：溴被还原成溴化物同时金属性锌溶解回溶液中，其中锌在蓄电池的下一个充电循环保持可得。

有利地，锌溴液流蓄电池可完整并无期限地处于放电状态而没有损坏；它们没有实际贮藏寿命限制，并且与其他类型的液流蓄电池相比提供了高电池电压和能量密度。

对上面描述的电化学电池和系统的增长的兴趣转变为针对在以下方面优化这些装置的不断努力：成本、效率和使用期以及关于它们与环境和健康和安全问题有关的潜在影响。

在这方面，发生电化学反应的电极的优化是改进实施它们的系统的总体性能的关键。可有用地被采用来评价可再充电的电化学电池的效率的参数是电压效率，其被定义为以百分比表示的电池的平均放电电压和平均充电电压之间的比。电压效率因此一方面是在存储操作过程中系统用于充电所需要的能量的函数，且另一方面是在放电过程中由系统释放的能量的函数。电池的电压效率越高，在操作成本和能量性能方面越方便。

在锌溴液流蓄电池中，使用涂覆有催化组合物的金属电极可能实现并维持大于66％的电压效率，该催化组合物包含高摩尔百分比的铱和铂的一者或两者(例如分别为70％和23％)连同其他催化金属。因为铂被认为促进溴还原反应，所以具有相对高的铂含量的涂层应在电压效率方面呈现令人满意的性能并不出乎预料，因为其有利地影响电池放电过程的能量。

然而，铱和铂都是特别昂贵的材料并且它们的价格严重地影响电极的制备成本。

此外，选择含铂化合物的职业暴露的危害包括需要严格暴露限制的呼吸和皮肤疾病和/或限制制备设施的每日制造能力。在用于汽车污染物转化的催化转化器领域中，铂典型地为催化剂制剂中丰富的贵金属。因此低而有效的铂集中的涂层是额外的好处，该铂集中的涂层例如在锌溴液流蓄电池中提升对于溴氧化还原反应的性能并且在处理过程中限制铂暴露和相关疾病。