描述了氧化还原液流装置，其中正极或负极活性材料中的至少一种是半固体或是稠密的储离子电活性材料，并且其中该电极活性材料的至少一种输送到发生电化学反应，产生电能的组装件中或由该组装件中输送。通过向悬浮液中添加导电粒子和/或通过半固体中固体的表面改性（例如通过用电子导电性更高的涂布材料涂布该固体以提高该装置的功率）提高该半导体的电子电导率。公开了高能量密度和高功率的氧化还原液流装置。本文中所述的氧化还原液流装置还可包括一个或多个本发明专利技术的设计特征。此外，还描述了用于氧化还原液流装置的本发明专利技术的化学。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高能量密度氧化还原液流装置相关申请本申请根据35U. S. C. § 119(e)要求2009年12月16日提交的题为“High EnergyDensity Redox Flow Device”的美国临时专利申请系列号61/287，180的优先权。出于所有目的通过引用以其全文将这些申请中的每一个并入本文。通过引用并入出于所有目的，将本文中引用的所有专利、专利申请和文献通过引用以其全文并入本文。关于联邦资助的研究或开发的声明 本专利技术是在能源部颁发的补贴编号DE-FC26-05NT42403的政府资助下获得的。政府在本专利技术中享有一定权利。
技术介绍
电池通过分离处于不同离子电化学电势的离子源与离子池(sink)贮存电化学能。电化学电势方面的差值在正极与负极之间产生电压差；如果电极通过导电元件连接，该电压差将产生电流。在电池中，负极和正极通过两个并行的导电元件连接。外部元件仅传导电子，内部元件(电解质)仅传导离子。因为电荷不平衡在负极和正极之间无法维持，所以这两条液流(flow stream)以相同速率供给离子和电子。工作时，电子电流可用于驱动外部装置。通过施加在与使用中的正在放电的电池相反的方向上驱动电子流和离子流的相反电压差，可以将可充电电池再充电。因此，可充电电池的活性材料需要能够接受并提供离子。提高的电化学电势产生更大的阴极与阳极的电压差，并且提高的电压差提高了每单位装置质量的电化学储能。对高功率装置而言，离子源和池通过具有大的离子导电性的部件连接到分隔体上，并用高导电性部件连接到集流体上。可以使用静态负极/电解质和正极/电解质介质构造可再充电电池。在此情形下，该装置的非储能部件占该装置的固定的体积或质量分数；由此降低装置的能量和功率密度。电流的可提取倍率还受限于阳离子的传导距离。因此，静态电池的功率需要量通过限制装置长度规模抑制了总容量。氧化还原液流电池，也称为液流电池或氧化还原电池或可逆燃料电池，是其中正极与负极反应物为在液体溶液中可溶的金属离子的储能装置，所述金属离子在电池工作过程中被氧化或还原。使用两个可逆的氧化还原偶，在正极和负极处进行液态氧化还原反应。氧化还原液流电池通常具有包含至少一个分隔正极和负极反应物(也分别称为阴极电解质和阳极电解质)的离子输送膜、以及促进电子向外电路的迁移但不参与该氧化还原反应(即该集流体材料本身不发生法拉第活动)的正集流体和负集流体(也称为电极)的发电组件。C. Ponce de Leon, A. Frias-Ferrer, J. Gonzalez-Garcia, D.A. Szantos 与 F. C. Walsh, “Redox Flow Batteries for Energy Conversion,，，J. PowerSources, 160, 716 (2006) > M. Bartolozzi, “Development of Redox Flow Batteries:AHistorical Bibliography”，J. Power Sources, 27,219 (1989)和 M. Skyllas-Kazacos 与F. Grossmith, “Efficient Vanadium Redox Flow Cell，，，Journal of the ElectrochemicalSociety, 134, 2950 (1987)已经论述了氧化还原液流电池。本文中提及了液流电池的部件和常规一次或二次电池的部件的术语方面的差异。液流电池中的电极活性溶液通常称为电解质，具体称为阴极电解质和阳极电解质，与其中电解质仅为离子传输介质且不发生法拉第活动的锂离子电池中的实际情况形成对照。在液流电池中，在其上发生氧化还原反应且电子在这里传输到外电路或由外电路传入的非电化学活性部件称为电极，而在常规的一次或二次电池中，它们称为集流体。虽然氧化还原液流电池具有许多吸引人的特征，包括它们可以通过提高阴极电解质和阳极电解质贮存器的尺寸扩大到几乎任意总电荷容量的事实，然而它们的限制之一是它们的能量密度(其很大程度上由金属离子氧化还原偶在液体溶剂中的溶解度决定)相对较低。通过提高离子溶解度来提高能量密度的方法是已知的，通常包括提高电极溶液的酸性。但是，此类措施可对电池工作的其它方面有害，例如提高了电池部件、贮存容器和相关管件的腐蚀。此外，金属离子溶解度可提高的程度有限。在含水电解质电池，尤其是利用锌作为电活性材料的电池的领域中，已经描述了 包含金属颗粒悬浮液且其中该悬浮液流经该膜和集流体的电解质。参见例如美国专利US4，126，733与US 5，368，952和欧洲专利EP 0330290B1。此类电极的所述目的是防止有害的Zn金属枝晶生成，防止有害的电极钝化，或提高电池放电时溶解在正极中的锌酸盐的量。但是，此类流化床电池的能量密度甚至当使用具有颗粒悬浮液的电解质时仍保持相对较低。由此仍然需要高能量密度和高功率密度的储能装置。专利技术概述描述了氧化还原液流储能装置，其中正极或负极活性材料中至少一种可包括半固体或稠密的(condensed)储离子液体反应物，并且其中至少一种电极活性材料可以输送到或输送自发生电化学反应的组件以产生电能。“半固体”是指该材料是液相与固相的混合物，例如浆料、颗粒悬浮液、胶体悬浮液、乳液、凝胶或胶束。“稠密储离子液体”或“稠密液体”是指该液体不仅是溶剂(如其在含水液流电池阴极电解质或阳极电解质的情况中那样)，而且该液体本身是氧化还原活性的。当然，此类液体形式还可以被另一种非氧化还原活性液体(其为稀释剂或溶剂)稀释或与之混合，包括与此类稀释剂混合以形成包括该储离子液体的较低熔点(melting)的液相、乳液或胶束。在某些实施方案中，提供氧化还原液流储能装置。该氧化还原液流储能装置可以包含第一外电极集流体、至少部分布置在第一电极集流体中的第二内电极集流体、和至少部分分隔所述第一和第二电极集流体的离子渗透介质；至少部分布置在所述第一电极集流体与所述离子渗透介质之间的第一电极活性材料；和至少部分布置在所述第二电极集流体与所述离子渗透介质之间的第二电极活性材料；其中所述第一和第二电极活性材料中的至少一者包含流体，并且第一电极集流体和第二电极集流体中的至少一者能够相对于其它电极集流体绕其纵轴旋转。在一组实施方案中，描述了用于氧化还原液流储能装置的可流动的储离子氧化还原组合物。在某些实施方案中，该氧化还原液流储能装置包含正极活性材料、负极活性材料、和分隔所述正极与负极活性材料的离子渗透介质，其中所述正极和负极活性材料中的至少一者包含可流动的储离子氧化还原组合物，该组合物能够在该装置工作过程中吸收或释放所述离子，其中所述可流动的储离子氧化还原组合物包含选自酮；二酮；三醚；含有I个氮和I个氧原子的化合物；含有I个氮和2个氧原子的化合物；含有2个氮原子和I个氧原子的化合物；含磷化合物，和/或这些化合物的氟化、腈和/或全氟化衍生物的至少一种化合物。在某些实施方案中，提供用于氧化还原液流储能装置的声能的源。在某些实施方案中，该氧化还原液流储能装置包含正极活性材料、负极活性材料和分隔所述正极与负极活性材料的离子渗透介质，其中所述正极和负极活性材料中的至少一者本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜一民，W·C·卡特尔，B·H·侯，M·杜杜塔，P·利姆颂库尔，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：
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