[发明专利]具有双极膜的液流电池平衡电池单元及其使用方法

说明书

在液流电池和其它电化学系统的操作条件下，可以发生诸如氢的产生和氧的氧化的寄生反应。这样的寄生反应可能通过改变液流电池中的一种或两种电解质溶液的pH和/或荷电状态而不期望地影响操作性能。被配置成用于解决寄生反应的影响的电化学平衡电池单元可以包括：第一室，其包括第一电极；第二室，其包括第二电极；第三室，其被设置在第一室和第二室之间；离子选择膜，其在第一室和第三室之间形成第一界面；以及双极膜，其在第二室和第三室之间形成第二界面。这样的电化学平衡电池单元可以被放置成与液流电池的至少一个半电池流体连通。

相关申请的交叉引用

本申请在法条35U.S.C§119条下要求于2015年4月14日提交的申请号为62/147,034的美国临时专利申请的优先权的权益，其整体通过引用并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本公开总体涉及能量储存，并且更具体地，涉及用于液流电池(flow battery)的电化学平衡电池单元(cell)及其使用方法。

背景技术

诸如电池、超级电容器等的电化学能量储存系统已经被广泛地实施用于大规模能量储存应用。为此目的已经采用包括液流电池的各种电池设计。与其它类型的电化学能量储存系统相比，由于液流电池具有将功率密度的参数和能量密度的参数彼此分离的能力，液流电池可以是有利的，特别是对于大规模应用而言。

液流电池通常包括在相应的电解质溶液中的负极活性物质和正极活性物质，其分别流过包含负极和正极的电化学电池单元中的膜或隔板(separator)的相对面。液流电池通过在两个半电池内部出现发的活性物质的电化学反应而充电或放电。如本文所使用的，术语“活性物质”、“电活性物质”、“氧化还原活性物质”或其变型将同义地指代在液流电池或类似的电化学能量储存系统的操作期间(即，在充电或放电期间)经历氧化态变化的物质。

虽然液流电池对于大规模能量储存应用具有重要的前景，但是它们已经经常被次优能量储存性能(例如，往返能量效率)和有限的循环寿命等因素困扰。尽管有大量的调查努力，但是尚未开发工业上可行的液流电池技术。在下文中讨论导致能量储存性能差、循环寿命有限和其它性能降级因素的某些问题。

在液流电池的每个半电池内活性物质的平衡的氧化和还原是期望的电化学反应，因为这些反应有助于在充电和放电循环期间液流电池的正常操作。这样的反应在本文中可以被称为“生产反应(productive reaction)”。在液流电池和相关的电化学系统的一个或两个半电池内也可能发生不期望的寄生反应。如本文所使用的，术语“寄生反应”将指与生产反应结合发生的任何副电化学反应。

寄生反应可能涉及不是活性物质的电解质溶液的组分。使活性物质不能进行可逆的氧化和还原的活性物质的电化学反应在本质上也被认为是寄生的。通常在含水电解质溶液中发生的寄生反应是氢的析出(evolution)和/或氧的氧化。例如，析氢可以至少部分地使电化学系统的负极电解质放电，同时保持正极电解质不变。甚至更重要地，寄生反应可以改变电解质溶液的pH，这在一些情况下可能使活性物质不稳定。例如，析氢可以通过消耗质子来提高电解质溶液的pH。在不含水电解质溶液中，电解质溶剂可以类似地在不期望的寄生反应过程中被氧化或还原。进一步地，在含水电解质溶液和不含水电解质溶液两者中，电极材料和其它电池单元组分在一些情况下也可能经历寄生反应(例如，碳或金属腐蚀、隔板氧化等)。