[發(fā)明專利]特征為大的負(fù)極半電池電勢(shì)的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380050848.9
• 申請(qǐng)日: 2013-07-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104854732B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: D.阿馬德奧;A.J.埃斯維因;J.格爾茨;T.D.賈維;E.R.金;S.Y.里斯;N.泰亞吉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 洛克希德馬丁尖端能量存儲(chǔ)有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/18
• 分類號(hào): H01M8/18;H01M8/20;H01M4/86;H01M4/96
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11002
• 代理人: 謝順星,張晶

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2012年12月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/739,237的優(yōu)先權(quán)，且為2013年7月13日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3/948,497的部分連續(xù)案，13/948,497為2013年3月12日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?3/795,878的部分連續(xù)案，13/795,878自身要求以下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)：美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/739,145，2012年12月19日提交，美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/738,546，2012年12月18日提交，美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/683,260，2012年8月15日提交，和美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/676,473，2012年7月27日提交。每個(gè)上述申請(qǐng)通過(guò)引用以其全文并入，用于任意或全部目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域，包括電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池和液流電池系統(tǒng)，及其操作方法。

背景

對(duì)用于于儲(chǔ)能的安全、便宜、易于使用和可靠的技術(shù)存在長(zhǎng)期需求。大規(guī)模儲(chǔ)能允許能源供應(yīng)的多樣性和能源網(wǎng)的優(yōu)化。現(xiàn)有的可再生能源系統(tǒng)(例如太陽(yáng)能和風(fēng)能基站系統(tǒng))隨著能源生產(chǎn)者探索非礦物燃料能源變得愈加重要，然而，當(dāng)日光不可用且當(dāng)不刮風(fēng)時(shí)，需要儲(chǔ)存以保證高質(zhì)量的能源供應(yīng)。

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)計(jì)劃用于大規(guī)模儲(chǔ)能。但是現(xiàn)有的儲(chǔ)存系統(tǒng)受到許多性能和成本的限制，包括，例如，分離的能量和功率、系統(tǒng)可放大性、循環(huán)能量效率(RT_Eff)、循環(huán)壽命和其它領(lǐng)域。

盡管有顯著的發(fā)展成果，但還沒(méi)有液流電池技術(shù)取得廣泛的商業(yè)采納，因?yàn)槲镔|(zhì)和工程障礙使得系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上不利。因此，在本領(lǐng)域中需要改進(jìn)的液流電池。

概述

本發(fā)明解決了這些問(wèn)題。在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開(kāi)在一個(gè)方面提供了低成本儲(chǔ)能，其使用含水溫和電解質(zhì)和顯示可逆的電化學(xué)及可調(diào)節(jié)的氧化還原電勢(shì)的氧化還原活性部分。這通過(guò)電解質(zhì)、活性物質(zhì)和電極組成的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，以產(chǎn)生在高電壓下操作的有效電池。

傳統(tǒng)的液流電池活性物質(zhì)包含在酸性或腐蝕性電解質(zhì)中的簡(jiǎn)單的過(guò)渡金屬鹽和/或鹵素離子作為正極|負(fù)極活性物質(zhì)(例如：鐵-鉻：Fe^3+/2+ |Cr^3+/2+；釩：VO₂⁺/VO²⁺|V^3+/2+；鋅-溴：Zn(OH)₄^2-/Zn|Br₂/Br^-；氫-溴：H⁺/H₂|Br₂/Br^-)。在該構(gòu)造中，總體電池性質(zhì)(能量密度、電池電壓、充電/放電速率等)受限于賤金屬/鹵素離子的固有化學(xué)性質(zhì)。特別地，現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)的負(fù)極電對(duì)可各自顯示足夠的電動(dòng)勢(shì)，但卻具有差的電極動(dòng)力學(xué)(例如Cr^3+/2+)；顯示適度的電動(dòng)勢(shì)，具有適度的電極動(dòng)力學(xué)(例如V^3+/2+)；在負(fù)極上的板金屬妨礙了堆尺寸和放電時(shí)間的分離，并在整個(gè)循環(huán)中帶來(lái)枝晶生長(zhǎng)(例如Zn^2+/0)；或顯示適度的電動(dòng)勢(shì)且需要可燃?xì)怏w管理(例如H⁺/H₂)。已經(jīng)有相當(dāng)多的關(guān)注集中在克服這些缺陷，但未成功。反而，最近的儲(chǔ)能技術(shù)大部分教導(dǎo)布置和操作電池堆的新方法和改進(jìn)電解質(zhì)及電極，其僅解決了小的缺陷而不是高效儲(chǔ)能的廣泛需求。

本公開(kāi)描述了新型化合物，其克服了現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)的缺陷。本文描述的氧化還原活性金屬配體配位化合物提供包含低成本、地球富含的元素的活性物質(zhì)和顯示高的溶解度(允許高儲(chǔ)能密度)和高電動(dòng)勢(shì)(例如，包括高的負(fù)極電勢(shì))和快速電極動(dòng)力學(xué)的材料，其使得儲(chǔ)能裝置在高電流密度下能操作。通過(guò)對(duì)這些電解質(zhì)、活性物質(zhì)和電極組合物中的合理選擇，液流電池能在高電池電壓下操作并具有高效率。具有本發(fā)明描述的物質(zhì)組成的活性物質(zhì)可用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，使得將它們與其它的活性物質(zhì)配對(duì)以形成正極電對(duì)和負(fù)極電對(duì)，其中所述其它的活性物質(zhì)為本發(fā)明描述的或本領(lǐng)域先前已知的或它們的組合，包括那些包含可溶物、半固體、嵌入物、電容的或贗電容的、或鍍覆型活性物質(zhì)。亦即，本發(fā)明可用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩個(gè)半電池，或作為系統(tǒng)中的一個(gè)半電池，其中另一個(gè)半電池為例如Fe^2+/3+、Br₂/Br^-、H⁺/H₂、VO²⁺/VO₂⁺或另一個(gè)半電池。