[发明专利]形成钛儿茶酚复合物的方法

说明书

本发明公开了含有至少一种儿茶酚盐配体的钛复合物可为用于液流电池和其它电化学能量储存系统的适宜活性材料。这些复合物可通过以下方法形成：使儿茶酚化合物与钛试剂在有机溶剂中反应，去除副产物，接着获得含有钛儿茶酚复合物的盐形式，特别是碱金属盐形式的水相。更具体地，所述方法可包括：形成含有儿茶酚化合物和有机溶剂的儿茶酚溶液，使钛试剂与儿茶酚溶液接触，形成反应混合物，使钛试剂与儿茶酚化合物反应，形成中间体钛儿茶酚复合物和副产物，分离副产物，以及将含有碱的碱性水溶液与中间体钛儿茶酚复合物组合，产生至少部分地溶解在水相中的盐形式的钛儿茶酚复合物。

相关申请的交叉引用

本申请是美国专利申请15/220,322的部分继续申请，该申请在2016年7月26日提交并且通过全文引用并入本文中。本申请还根据35U.S.C.§119要求美国临时专利申请62/441,146；62/441,149；62/441,150；62/441,151；62/441,153和62/441,154的优先权，所述美国临时专利申请各自在2016年12月30日提交并且通过全文引用并入本文中。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

无。

技术领域

本公开大体上涉及能量储存，并且更具体地，涉及用于制备作为能量储存系统用活性材料的钛儿茶酚复合物的方法。

背景技术

电化学能量储存系统如电池、超级电容器等已被广泛提出用于大规模的能量储存应用。为此目的，已考虑了各种电池设计，包括液流电池。与其它类型的电化学能量储存系统相比，液流电池可能是有利的，特别是对于大规模应用，因为其能够将功率密度和能量密度的参数互不相干。

液流电池通常在相应电解质溶液中包括负极和正极活性材料，所述材料分别流过包含负电极和正电极的电化学电池内的膜或间隔件的相对侧。液流电池通过在两个半电池内部发生的活性材料的电化学反应来充电或放电。在本文中使用时，术语“活性材料”、“电活性材料”、“氧化还原活性材料”或其变化形式同义地指在液流电池或类似的电化学能量储存系统工作期间(即在充电或放电期间)经历氧化态变化的材料。尽管液流电池对于大规模能量储存应用具有显著前景，但其经常受到次佳的能量储存性能(例如充放电循环能量效率)和有限的循环寿命等因素的困扰。尽管进行了大量研究工作，但尚未开发出商业上可行的液流电池技术。

一些活性材料可为能够进行可逆氧化-还原循环的有机化合物。由于低溶解度值，特别是在水性电解质溶液中，以及低导电率，有机活性材料通常提供相对有限的能量密度。为了补偿低溶解度值，经常将有机活性材料用于非水性电解质溶液中，使得可获得增加的溶解度。有时在液流电池中使用有机活性材料会伴有高合成成本和环境问题。

金属基活性材料可通常适用于液流电池和其它电化学能量储存系统。尽管非结合性金属离子(例如溶解的氧化还原活性金属盐)可用作活性材料，但通常为此目的更适宜使用配位复合物。在本文中使用时，术语“配位复合物”、“配位化合物”、“金属-配体复合物”或简称“复合物”同义地指在金属中心和供体配体之间形成至少一个共价键的化合物。金属中心可在电解质溶液中在氧化形式和还原形式之间循环，其中根据配位复合物所存在的特定半电池，金属中心的氧化形式和还原形式代表完全充电或完全放电的状态。在某些情况下，可通过构成配体的分子中的一个或多个分子的氧化或还原来转移其它电子。

钛复合物可为用于液流电池和其它电化学能量储存系统的特别适宜的活性材料，因为这些金属复合物可在高电流密度值(例如大于100mA/cm²)提供良好的半电池电位(例如小于-0.3V)和超过85％的电流效率。在这方面，钛的各种儿茶酚复合物可为特别理想的活性材料，因为它们是相对稳定的复合物并且在水性介质中具有显著的溶解度。尽管有各种方法可用于合成钛的儿茶酚复合物(本文也称钛儿茶酚盐复合物或钛儿茶酚复合物)，但目前尚没有方法可用于生产支持商业规模的能量储存应用所需的大量的这些复合物。此外，在常规合成钛儿茶酚复合物期间同时产生无关盐可特别成问题，如下文进一步讨论。