[發(fā)明專利]包含匹配的離聚物膜的氧化還原液流電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380050730.6
• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN104854730B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設計）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（專利權）人: 洛克希德馬丁尖端能量存儲有限公司
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M8/1023;H01M8/1039
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 謝順星,張晶

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年12月19日提交的美國專利申請?zhí)?1/739,140的優(yōu)先權，且為2013年7月13日提交的美國專利申請?zhí)?3/948,497的部分連續(xù)案，13/948,497為2013年3月12日提交的美國申請?zhí)?3/795,878的部分連續(xù)案，13/795,878自身要求以下申請的優(yōu)先權：美國申請?zhí)?1/739,145，2012年12月19日提交，美國申請?zhí)?1/738,546，2012年12月18日提交，美國申請?zhí)?1/683,260，2012年8月15日提交，和美國申請?zhí)?1/676,473，2012年7月27日提交，每個上述申請通過引用以其全文并入，用于任意或全部目的。

技術領域

本公開涉及儲能系統(tǒng)領域，包括電化學儲能系統(tǒng)、電池和液流電池系統(tǒng)，及其操作方法。

背景

對用于于儲能的安全、便宜、易于使用和可靠的技術存在長期需求。大規(guī)模儲能允許能源供應的多樣性和能源網的優(yōu)化。現(xiàn)有的可再生能源系統(tǒng)(例如，基于太陽能和風能的系統(tǒng))由于能源生產商探索非化石燃料能源而享有愈發(fā)增長的重要性，然而當日光不可用和當不吹風時，需要儲存以保證高質量的能源供應。

電化學儲能系統(tǒng)例如液流電池已經計劃用于大規(guī)模儲能。但是現(xiàn)有的液流電池受到許多性能和成本限制，包括例如最優(yōu)隔離物、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)壽命和其它方面。

盡管有顯著的研發(fā)成果，但液流電池技術還未實現(xiàn)廣泛的商業(yè)化應用，由于物質和工程障礙使得系統(tǒng)經濟上不利。因此，在本領域需要改進的液流電池。

概述

本發(fā)明解決這些問題。在某些實施方案中，本公開在某些方面提供使用低成本電池活性物質的低成本儲能，所述活性物質由帶電金屬配體配位化合物組成并通過在電化學電池內的離聚物膜隔離。本發(fā)明包含活性物質電荷符號與離聚物膜符號的匹配，以允許高的電化學電池性能。

通常，通過將帶電聚合物或離聚物結合使液流電池膜有傳導性。例如，選擇帶負電荷的離聚物以在電池電極之間傳輸帶正電荷的離子(例如質子、鈉離子和/或鉀離子)。現(xiàn)有技術教導離聚物膜的設計原理以產生高傳導率(例如，通過薄膜的制造)，然而這些設計原理對于典型的液流電池活性物質通常使導致高的活性物質互混(crossover)。即，在這些系統(tǒng)中，現(xiàn)有的傳導膜不顯示最佳性能特性(例如，在緊湊設計中，離子傳輸?shù)母邆鲗剩约暗突钚晕镔|互混)。本公開描述了電池設計原理和克服這些不足的操作電池實施方案。特別地，本公開描述了選擇金屬配體配位化合物的電荷符號，與離聚物膜的符號匹配，以便誘導膜和活性物質之間的離子排斥并阻止活性物質互混。本文顯示這些構造在液流電池的負極和正極之間產生高選擇性離子傳輸。

本發(fā)明的某些實施方案提供液流電池，每個液流電池包含：

第一含水電解質，其包含第一氧化還原活性物質；

第二含水電解質，其包含第二氧化還原活性物質；

與所述第一含水電解質接觸的第一電極；

與所述第二含水電解質接觸的第二電極；和

布置于所述第一和第二含水電解質之間的隔離物，所述隔離物包含離聚物膜；

其中所述第一氧化還原活性物質、第二氧化還原活性物質或兩者的凈離子電荷符號與離聚物膜的凈離子電荷符號匹配；和其中所述液流電池在以下條件操作或能夠在以下條件操作：

(a) 其中所述第一或第二氧化還原活性物質占通過所述離聚物膜的離子摩爾通量的3%或更少；或

(b) 具有至少約95%的循環(huán)電流效率；或

(c) 在至少約100mA/cm²的電流密度下，具有至少約90%的循環(huán)電壓效率；或

(d) 電解質具有至少約30Wh/L能量密度；或

(e) (a)、(b)、(c)和(d)中任意兩個或更多個的組合。

各種另外的特征提供：使用金屬配體配位化合物；使用不同的膜組成和厚度；使用將碳同素異形體的表面呈現(xiàn)于相應電解質的電極；使用不同的pH范圍；匹配的膜-電解質系統(tǒng)；在約35-約65%的充電狀態(tài)內，顯示特定循環(huán)電流效率和至少98%能量密度的液流電池。