[发明专利]高能量密度和低成本液流电化学装置

说明书

本发明提供一种合并了固流电极的新型的高能量密度和低成本液流电化学装置，并且还提供使用这样的电化学装置的方法。其包括阳极集流体箔和阴极集流体箔，可以使它们在装置的放电期间或再充电期间移动。根据本发明的固流装置提供了：由于直接替换常规电极堆导致的改善的充电能力，更高的体积和重量能量密度，和由于减小离子渗透层的尺寸导致的降低的蓄电池成本。

相关申请

本申请要求2015年12月8日提交的美国临时专利申请62/264,745的优先权权益。

发明背景

对于运输交通工具(例如电力和混合动力汽车)和建筑物(例如住宅、办公室、工厂等)的日益提高的性能要求，以及与化石燃料消耗有关的不利的环境影响，使得需要改善的替代能源。因为太阳能和风能通常是不稳定的和间歇的，所以大量的研究已经集中在可充电的蓄电池上，用于储存和释放电力能量和功率。然而，现有的可充电的蓄电池伴随着高制造成本、低能量密度和不良的功率性能，并且因此不能满足许多当前和未来的需要。

液流电化学装置，如氧化还原液流蓄电池(redox flow battery)，对于电力/混合动力交通工具应用和大规模电储存来说是有前途的方案，原因在于这样的装置具有显著的设计灵活性，并且具有有利地使功率与能量性能解耦的运行模式。在氧化还原液流蓄电池中，将用于电荷转移的两种化学组分溶解在不同的溶液中，并且由离子渗透膜隔开，当两种液体在它们的不同且分开的空间中循环时，跨过该膜发生离子交换。然而，氧化还原液流蓄电池的缺点在于低能量密度和高成本，这显著降低了这种蓄电池对于固定应用和运输应用两者的可行性。增加液流电化学装置的能量密度并减少其成本已经是主要研究努力的课题，并且迄今为止已经激发了若干新的设计构思。

一种这样的设计由Chiang等在美国专利公布号2010/0047671中公开，其描述了半固态液流装置，其在液流构造中结合了电活性材料的固态悬浮体。通过使用超过活性材料溶解度极限的活性材料的沉淀的悬浮体，该装置展现了与常规液流蓄电池相比更高的能量密度。换言之，Chiang等通过使用悬浮体，而不是将活性材料溶解在溶液中，增加了活性材料的浓度。

尽管使用活性材料的悬浮体增加了液流蓄电池的能量密度，但此途径伴有许多缺点。第一，通过半固态体系提供的能量密度不足以满足高能量密度应用(如电动交通工具)的要求。第二，为了提供可接受的电导率，半固态流体需要大量的碳。这不仅降低了活性材料的填充密度，它还造成对功率能力的重大限制，这是因为半固态液流与在常规锂离子蓄电池中所用的常规固体电极相比电导率低。第三，半固态悬浮体倾向于经历分相，并且因此需要表面处理和/或溶剂添加剂以防止分相。第四，半固态液流的粘度显著高于在常规液流蓄电池中使用的阴极电解液和阳极电解液。结果是，粘性流体的泵送消耗了所生成的电能中的可观的量，从而降低了蓄电池系统的整体效率。

需要改进的液流电化学装置来克服上述缺点。本发明满足上述和其他相关需求。

发明概述

本发明提供一种结合了固流(solid-flow)电极的新型的高能量密度和低成本液流电化学装置，并且还提供使用这样的电化学装置的方法。

在一个实施方案中，本发明提供一种固流电化学装置，其包括反应区域，所述反应区域包含阳极集流体部件(例如，铜棒)、阴极集流体部件(例如，铝棒)、布置于阳极集流体部件和阴极集流体部件之间的电绝缘离子渗透膜、和电解质(例如，水性的和/或非水性的电解质溶液)。该电化学装置还包括阳极集流体箔(例如，铜箔)，其覆盖有阳极活性材料，如锂金属。阳极集流体箔与阳极集流体部件电接触并绕阳极集流体部件布置。分开的阴极集流体箔(例如，铝箔)覆盖有阴极活性材料，如磷酸铁锂(LiFePO₄)，并且与阴极集流体部件电接触并绕阴极集流体部件布置。该电化学装置还包括至少一个电机，所述电机配置为，于充电或放电作业期间，同时使阳极集流体箔绕阳极集流体部件转动和使阴极集流体箔绕阴极集流体部件转动。每个单独的集流体箔可以在放电循环期间在一个方向上转动，并且在充电循环期间在相反方向上转动。