[發明專利]具有在相反面上親水性不同的電極的液流電池及其生產方法

在審

• 申請號: 201680090909.8
• 申請日: 2016-10-20
• 公開（公告）號: CN109963965A
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 杰里米·洛雷茨;薩里瓦特薩瓦·文卡塔蘭加·普拉納姆;海倫·伊麗莎白·萬本舍特恩
• 申請（專利權）人: 洛克希德馬丁能源有限責任公司
• 主分類號: C25B11/12
• 分類號: C25B11/12;H01M4/04;H01M8/18;H01M8/20
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 劉慧;楊青

電化學電池，諸如存在于液流電池中的那些電化學電池，可以包括至少一個電極，所述電極的一個面比另一面更親水。這種電極可以通過將對流流動的電解液循環導向電化學電池中的隔膜而減少寄生反應的發生率。包含電化學電池的液流電池可以包括：含有第一電極的第一半電池、含有第二電極的第二半電池和設置在所述第一半電池和第二半電池之間的隔膜，其中所述第一電極和第二電極各自具有彼此方向相反的第一面和第二面。所述第一電極和第二電極兩者的第一面被設置為靠近所述隔膜。所述第一電極和第二電極中的至少一個的第一面比所述第二面更親水。

相關申請的交叉引用

不適用。

關于聯邦贊助的研究或開發的聲明

不適用。

技術領域

本公開主要涉及儲能，且更具體地涉及用于改善液流電池和相關電化學系統的性能的修改和技術。

背景技術

諸如電池組、超級電容等的電化學儲能系統已經被廣泛地提議用于大規模儲能應用。已經為此目的考慮了包括液流電池在內的多種電池組設計。與其它類型電化學儲能系統相比，液流電池可以是有利的，特別是對于大規模應用而言，這是因為它們將功率密度參數和能量密度參數彼此解耦的能力。

液流電池通常在相應的電解質溶液中包括負極和正極活性材料，所述電解質溶液分別流過在包含負電極和正電極的電化學電池中的膜或隔膜的相對面。在這里，術語“膜”和“隔膜”是同義詞。液流電池通過在所述兩個半電池內部發生的活性材料的電化學反應進行充電或放電。如本文中使用的，術語“活性材料”、“電活性材料”、“氧化還原活性材料”或其變體是同義詞，是指在液流電池或類似電化學儲能系統的工作期間(即，充電或放電過程中)經歷氧化狀態改變的材料。

盡管液流電池具有用于大規模儲能應用的重要前景，但是過去它們受困于次優的儲能性能(例如，往返能量效率)和有限的循環壽命，以及其它因素。導致次優性能的某些因素在下文進行討論。盡管付出了顯著的研究努力，但仍未開發出商業可行的液流電池技術。

活性材料在液流電池中的平衡的氧化和還原是所期望的電化學反應，因為它們有助于電池組在充電和放電循環過程中的正常工作。這種反應在這里可稱為“生產性反應”。

除了期望的生產性反應之外，在液流電池的一個或者兩個半電池以及相關的電化學系統內還可以發生不期望的寄生反應。如本文中使用的，術語“寄生反應”是指和生產性反應一起發生的任何副電化學反應。寄生反應可經常涉及電解質溶液中活性材料之外的組分。使活性材料不能夠經歷可逆的氧化和還原的活性材料的電化學反應在性質上也可被認為是寄生反應。可通常發生在包含含水電解質溶液的電化學電池中的寄生反應是氫氣的析出和/或被氧所氧化。例如，氫析出可至少部分地使電化學電池的負極電解質溶液放電。相關的寄生反應也可以發生在非水電解質溶液中。

與寄生反應相關的放電可以降低液流電池的工作效率和其它性能參數。另外，寄生反應可以改變電解質溶液的pH，這在一些情況中可以使其中的活性材料去穩定化。在寄生反應與在一個半電池中相比優先發生在另一個半電池中的情況中，可在負極電解質溶液和正電解質溶液之間產生荷電狀態的不平衡。術語“荷電狀態”(SOC)是一個被充分理解的電化學儲能術語，在這里是指在電化學系統的給定半電池內在電極處的被還原物質和被氧化物質的相對量。液流電池的電解質溶液之間的荷電不平衡可引起在一個或者兩個電極處的傳質限制，由此降低往返工作效率。因為荷電不平衡隨著每個完成的充電和放電循環可以是加和性的，所以可能由于寄生反應而導致液流電池的性能越來越減弱。

可以對一種電解質溶液或兩種電解質溶液進行荷電再平衡，來對抗寄生反應的影響。盡管已有多種荷電再平衡技術，但是它們的實施可能是昂貴且耗時的。確定電解質溶液中被氧化和被還原的活性材料物類的真實濃度本身可能經常是困難的，由此為荷電再平衡工藝增加了另一個困難。盡管在付出足夠努力的情況下經常可以實現電解質溶液的荷電再平衡，但是要解決伴隨的pH改變常常更困難得多。