多孔电极及由其制得的电化学电池和液流蓄电池制造技术

本公开涉及多孔电极、膜电极组件和电极组件以及由所述多孔电极、所述膜电极组件和所述电极组件制得的电化学电池和液流蓄电池。本公开还提供制备多孔电极、膜电极组件和电极组件的方法。所述多孔电极包括：多孔电极材料，所述多孔电极材料包含聚合物和导电碳颗粒；以及具有第一主表面和第二主表面的固体膜基材，其中所述固体膜基材包括从所述第一主表面延伸到所述第二主表面的多个通孔。所述多孔电极材料设置在所述固体膜基材的至少所述第一主表面上和所述多个通孔内。具有所述多孔电极材料的所述多个通孔在所述多孔电极的所述第一主表面和所述相对的第二主表面之间提供电通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔电极及由其制得的电化学电池和液流蓄电池
本专利技术整体涉及可用于制造电化学电池和蓄电池的多孔电极。本公开还提供制备多孔电极的方法。
技术介绍
本领域已公开可用于形成电化学电池和氧化还原液流蓄电池的各种部件。此类部件在例如美国专利5,648,184、8,518,572和8,882,057中有所描述。
技术实现思路
在一个方面，本公开提供用于液流蓄电池的多孔电极，该多孔电极包括：多孔电极材料，该多孔电极材料包含：聚合物；和导电碳颗粒；以及具有第一主表面和第二主表面的固体膜基材，其中该固体膜基材包括从第一主表面延伸到第二主表面的多个通孔；其中多孔电极材料设置在固体膜基材的至少第一主表面上和多个通孔内，其中多孔电极具有第一主表面、相对的第二主表面，并且具有多孔电极材料的多个通孔在多孔电极的第一主表面和相对的第二主表面之间提供电通信。在另一方面，本公开提供用于液流蓄电池的膜电极组件，该膜电极组件包括：离子交换膜，该离子交换膜具有第一表面和相对的第二表面；和根据本公开的实施方案中任一项所述的多孔电极，其中多孔电极的主表面邻近离子交换膜的第一表面。在另一方面，本公开提供用于液流蓄电池的电极组件，该电极组件包括：根据本公开的实施方案中任一项所述的第一多孔电极；具有第一表面和相对的第二表面的第一微孔保护层；其中第一多孔电极的主表面靠近第一微孔保护层的第二表面，并且其中第一微孔保护层包含聚合物树脂和导电碳颗粒、以及任选的非导电颗粒。在另一方面，本公开提供用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的多孔电极实施方案中任一项所述的多孔电极。在另一方面，本公开提供用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的膜电极组件实施方案中任一项所述的膜电极组件。在另一方面，本公开提供用于液流蓄电池的电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的电极组件实施方案中任一项所述的电极组件。在另一方面，本公开提供液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的多孔电极实施方案中任一项所述的至少一个多孔电极。在另一方面，本公开提供液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的膜电极组件实施方案中任一项所述的至少一个膜电极组件。在另一方面，本公开提供液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的电极组件实施方案中任一项所述的至少一个电极组件。附图说明图1A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性多孔电极的示意性顶视图。图1B为根据本公开的一个示例性实施方案沿着图1A的示例性多孔电极的线XX'的示意性横截面侧视图。图1C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性多孔电极的示意性顶视图。图1D为根据本公开的一个示例性实施方案沿着图1C的示例性多孔电极的线YY'的示意性横截面侧视图。图2A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2B为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2D为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2F为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图3A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图3B为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。图4为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池的示意性横截面侧视图。图5为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池堆的示意性横截面侧视图。图6为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性单电池液流蓄电池的示意图。在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。附图可不按比例绘制。如本文所用，应用于数值范围的字词“介于……之间”包括该范围的端值，除非另外指明。由端值表述的数值范围包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表达特征结构尺寸、量和物理特性的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望性能而变化。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开的原理的范围和实质内的许多其它的修改和实施方案。除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中所普遍使用的含义。本文提供的定义有利于理解本文频繁使用的某些术语，并无限制本公开范围之意。本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”涵盖具有多个指代物的实施方案，除非上下文另有清晰的表示。本说明书和所附权利要求书中使用的术语“或”一般以其包括“和/或”的意义使用，除非上下文另有清晰的表示。在本文中，当一个基材的表面与另一个基材的表面“接触”时，这两种基材之间不存在居间层，并且这两种基材的表面的至少一部分发生物理接触。在本文中，如果第一基材的表面“邻近”第二基材的表面，则这两个表面被视为面向彼此。它们可彼此接触，或者可彼此不接触，在它们之间设置一种居间的第三基材或多个基材。在本文中，如果第一基材的表面“靠近”第二基材的表面，则这两个表面被视为面向彼此并且彼此接近，即两者之间的距离小于500微米、小于250微米、小于100微米之内或甚至彼此接触。然而，可在基材表面之间设置一种或多种居间的基材。如果第一基材的表面与第二基材的表面“接触”，则这两个表面的至少一部分发生物理接触，即它们之间不设置居间的基材。具体实施方式可用于制造液流蓄电池(例如，氧化还原液流蓄电池)的单个电化学电池一般包括两个多孔电极，即阳极和阴极；设置在这两个电极之间的离子可渗透膜，该离子可渗透膜提供电极之间的电绝缘并且为穿过阳极和阴极半电池之间的一种或多种选定离子物质提供路径；阳极和阴极流动板，前者被定位成与阳极相邻，并且后者被定位成与阴极相邻，每个流动板包含一个或多个通道，所述一个或多个通道允许阳极电解液和阴极电解液分别接触阳极和阴极并且渗透到其中。电池或蓄电池的阳极、阴极和膜将在本文中称为膜电极组件(MEA)。例如，在包含单个电化学电池的氧化还原液流蓄电池中，该电池还将包括两个集电器，其中一个集电器与阳极流动板的外表面相邻并且接触，一个集电器与阴极流动板的外表面相邻并且接触。集电器允许电池放电期间产生的电子连接到外部电路并且执行有用的工作。运行的氧化还原液流蓄电池或电化学电池还包括阳极电解液、阳极电解液储液槽及相应的流体分配系统(管路和至少一个或多个泵)以有利于阳极电解液流入阳极半电池中，并且包括阴极电解液、阴极电解液储液槽及相应的流体分配系统以有利于阴极电解液流入阴极半电池中。尽管通常采用泵，但是也可使用重力供给系统。在放电期间，活性物质例如阳极电解液中的阳离子被氧化，并且相应的电子流过外部电路并且负载到阴极上，这些电子在阴极上将阴极电解液中的活性物质还原。由于用于电化学氧化还原的活性物质包含在阳极电解液和阴极电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于液流蓄电池的多孔电极，所述多孔电极包括：多孔电极材料，所述多孔电极材料包含：聚合物；和导电碳颗粒；以及固体膜基材，其中所述固体膜基材具有第一主表面和第二主表面，其中所述固体膜基材包括从所述第一主表面延伸到所述第二主表面的多个通孔；其中所述多孔电极材料设置在所述固体膜基材的至少所述第一主表面上和所述多个通孔内，其中所述多孔电极具有第一主表面、相对的第二主表面，并且具有所述多孔电极材料的所述多个通孔在所述多孔电极的所述第一主表面和所述相对的第二主表面之间提供电通信。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.24 US 62/137,563;2015.06.23 US 62/183,4291.一种用于液流蓄电池的多孔电极，所述多孔电极包括：多孔电极材料，所述多孔电极材料包含：聚合物；和导电碳颗粒；以及固体膜基材，其中所述固体膜基材具有第一主表面和第二主表面，其中所述固体膜基材包括从所述第一主表面延伸到所述第二主表面的多个通孔；其中所述多孔电极材料设置在所述固体膜基材的至少所述第一主表面上和所述多个通孔内，其中所述多孔电极具有第一主表面、相对的第二主表面，并且具有所述多孔电极材料的所述多个通孔在所述多孔电极的所述第一主表面和所述相对的第二主表面之间提供电通信。2.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述聚合物为熔融聚合物颗粒。3.根据权利要求2所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述聚合物颗粒为聚合物粒子、聚合物薄片、聚合物纤维和聚合物枝状体中的至少一者。4.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述聚合物为衍生自聚合物前体液体的聚合物粘结剂树脂。5.根据权利要求4所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述聚合物前体液体为聚合物溶液和反应性聚合物前体液体中的至少一者。6.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳枝状体、碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者。7.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电碳颗粒为石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝状体中的至少一者。8.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电碳颗粒为碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者。9.根据权利要求8所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电碳颗粒为碳纳米管和分叉碳纳米管，并且其中所述分叉碳纳米管相对于所述碳纳米管和分叉碳纳米管的总重量的重量分数为约0.4至约1。10.根据权利要求9所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电颗粒还包括石墨颗粒，并且其中所述石墨颗粒与所述导电碳颗粒的总重量的重量分数为约0.05至约1。11.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述导电碳颗粒具有增强的电化学活性，所述增强的电化学活性由化学处理、热处理和等离子体处理中的至少一者产生。12.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述固体膜基材的所述第一主表面包括至少一种精确成型的形貌特征。13.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述固体膜基材的厚度为约5微米至约200微米。14.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中所述多孔电极材料设置在所述固体膜基材的所述第二主表面上。15.根据权利要求1所述的用于液流蓄电池的多孔电极，其中设置在所述固体膜基材的所述第一主表面上的所述多孔电极材料的所述组成不同于设置在所述固体膜基材的所述第二主表面上的所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥努尔·S·约尔德姆，布赖恩·T·韦伯，布雷特·J·西特尔，雷蒙德·P·约翰斯顿，布拉德利·W·伊顿，安德鲁·T·豪格，格雷戈里·M·豪根，布兰登·A·巴特林，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US