[发明专利]用于氧化还原液流电池的有机电解质化合物

说明书

技术领域

本发明归入有机电解质化合物的领域，更具体而言，涉及适合于氧化还原液流电池的有机电解质化合物的领域。

背景技术

对燃烧化石燃料的环境后果的担忧导致了由诸如太阳能和风能等来源产生的可再生能源日益增长的使用。然而，这种可再生能源的间歇性使得难以将这些能源完全整合到电力网和配电网络中。此问题的解决方案是采用大型电能储存(EES)系统，其被广泛认为是提高源自太阳能或风能源的可再生能源的可靠性、电力质量和经济性的有效途径。其中最有希望的大型EES技术是氧化还原液流电池。氧化还原液流电池是特殊的电化学系统，其可以反复将兆瓦时(MWh)的电能储存和转换成化学能并在需要时将化学能转换回电能。

氧化还原液流电池中常见的电化学电芯构造包括处于分开的槽中并被离子交换膜隔开的正极和负极，以及两种循环电解质溶液，即通常分别称为“阴极电解液”和“阳极电解液”的正和负电解质液流。一旦电解质溶液开始流过电芯，则电极处立即发生电能和化学势之间的能量转换。氧化还原液流电池可以通过反转氧化还原流体的流动并将电流施加到电化学反应器来进行再充电。常见的氧化还原液流电池是基于包括作为阳极电解液的Fe³⁺/Fe²⁺和作为阴极电解液的Cr²⁺/Cr³⁺的氧化还原体系的那些。然而，隔开电极的离子选择性膜对铬阳离子并非完全不可透的，并且在一些运行时间之后，铬物质在铁隔室中扩散，反之亦然，降低了氧化还原液流电池的寿命。

即使如此，氧化还原液流电池仍是优选的大型EES技术，因为它们的容量(能量)和它们的电流(功率)可以容易地脱离关系，因此容易扩展。即，可以通过增加槽的数量或尺寸来增加能量，而通过控制集流器的数量和尺寸而不是通过改变电解质储罐的尺寸来控制功率。然而，这两种方法都意味着使用笨重且庞大的槽等其它问题，如大型泵。因此，正在进行广泛的研究以便利用使氧化还原对在电解质溶液中的溶解度最大化的正确化学技术来优化氧化还原液流电池的能量和功率。溶解度的提高是至关重要的，因为还原和氧化的离子物质的质量传递的增强导致在液流电池中在更高的电流密度(功率)下的充电和放电，并且因为更高浓度的氧化还原离子导致电芯的能量密度更高。广泛用于氧化还原液流电池的钒类氧化还原化学品表现出约2mol/1(1.26V；25-40Wh/Kg)的溶解度。虽然锌-多碘化物电解质类体系中可溶解8mol/1的碘化锌，但这些体系不是完全的氧化还原液流型，因为固体锌的沉积会强加大型电化学反应器[B.Li等,Nature Communications 6,6303(2015)]。锌溴体系也有类似的限制(1.2V；80Wh/Kg)[M.Skyllas-Kazacos等,J.Electrochem.Soc.158(8)R55-R79(2011)]。

Li离子类化学技术也已证实可增加氧化还原液流电池中的能量密度，例如使用在有机溶剂中分别含有高电压和低电压高容量锂离子嵌入式化合物作为阴极电解液和阳极电解液的高密度浆[M.Duduta等,Adv.Energy Mater.1,511-516(2011)]。关于在液体电解质中使用易燃有机溶剂的高粘度和安全问题是上述体系的显著缺点。作为另一选择，已提出在由离子导电性固体(陶瓷)电解质与金属性碱金属(即，Li或Na)隔开的阴极电解液侧中使用含有碱性氧化还原活性离子的水性电解质[Y.Lu等,J.Mater.Chem.21,10113(2011)]。然而，锂离子通过陶瓷电解质的低导电性需要改善。因此，水性氧化还原液流电池，如钒(VRB)，仍是氧化还原液流电池中最普遍的化学技术。然而，这些水性氧化还原液流电池中使用的一些电活性材料是昂贵的，难以循环利用，稀有并且有毒(即，如钒这样的贵金属，并且存在高侵蚀性化学品，如浓硫酸)。