含有具有密度梯度的电极的液流电池及其生产方法和应用技术

本发明专利技术公开了电化学池，例如存在于液流电池内的电化学池，其可过具有至少一个具有密度梯度的电极，其中所述密度从隔膜向外增加。这种电极可以减小所述电化学池中的接触阻抗并降低寄生反应的发生率。含有所述电化学池的液流电池可以包含：含有第一电极的第一半电池，含有第二电极的第二半电池，以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜。所述第一电极和第二电极中的至少一者具有密度梯度，使得所述第一电极和第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。

Liquid Flow Battery Containing Electrodes with Density Gradient and Its Production Method and Application

The invention discloses an electrochemical cell, such as an electrochemical cell existing in a liquid flow cell, which may have at least one electrode with a density gradient, wherein the density increases outward from the diaphragm. The electrode can reduce the contact impedance in the electrochemical cell and the incidence of parasitic reaction. A liquid flow battery containing the electrochemical cell may include a first half battery containing a first electrode, a second half battery containing a second electrode, and a diaphragm configured between the first half battery and the second half battery. At least one of the first and second electrodes has a density gradient so that the density of at least one of the first and second electrodes increases outward from the diaphragm.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含有具有密度梯度的电极的液流电池及其生产方法和应用与相关申请的交叉引用不适用。关于联邦资助的研究或开发的陈述不适用。
本专利技术总的来说涉及能量储存，更具体来说涉及用于提高液流电池和相关电化学系统的性能的改良和技术。
技术介绍
已提出将电化学能量储存系统例如电池、超级电容器等广泛用于大规模储能应用。为此目的，已考虑了各种不同的包括液流电池在内的电池设计。与其他类型的电化学能量储存系统相比，液流电池由于它们使功率密度参数与能量密度参数彼此之间互不相干的能力，因此可能是有利的，特别是对于大规模应用来说。液流电池通常包括在相应的电解质溶液中的负极活性材料和正极活性材料，所述电解质溶液分开地流动跨过含有负电极和正电极的电化学池中的膜或隔膜的相反侧面。所述液流电池通过在所述两个半电池内部发生的所述活性材料的电化学反应来充电或放电。当在本文中使用时，术语“活性材料”、“电活性材料”、“氧化还原活性材料”或其变化形式同义地是指在液流电池或类似的电化学能量储存系统的运行期间(即在充电或放电期间)经历氧化态变化的材料。尽管液流电池保有用于大规模储能应用的显著希望，但它们通常受制于次优化的能量储存性能(例如往返能量效率)和有限的循环寿命等因素。导致次优化性能的某些因素在后文中讨论。尽管进行了大量研究尝试，但尚未开发出商业上可行的液流电池技术。液流电池中活性材料的平衡的氧化和还原是所需的电化学反应，因为它们对电池在充电和放电循环期间的正确运行有贡献。这些反应在本文中可以被称为“生产性反应”。除了所需的生产性反应之外，在液流电池的一个或两个半电池和相关的电化学系统中也可能发生不想要的寄生反应。当在本文中使用时，术语“寄生反应”是指与生产性反应联合发生的任何电化学副反应。寄生反应通常可牵涉电解质溶液的不是所述活性材料的组分。活性材料的使所述活性材料不能经历可逆的氧化和还原的电化学反应，在本质上也可以被当作是寄生性的。在含有水性电解质溶液的电化学池中通常可能发生的寄生反应是氢的产生和/或被氧氧化。氢的产生可以例如使电化学池的负极电解质溶液至少部分放电。相关的寄生反应也可发生在非水性电解质溶液中。与寄生反应相关的放电可以降低液流电池的运行效率和其他性能参数。此外，寄生反应可以改变电解质溶液的pH，这在某些情况下可以使其中的活性材料不稳定。在寄生反应优先地发生在一个半电池中超过另一个半电池中的情况下，可以在负极和正极电解质溶液之间引起荷电状态的不平衡。术语“荷电状态”(SOC)是公知的电化学能量储存术语，其在本文中是指在电化学系统的给定半电池中电极处的被还原和氧化的物质的相对量。液流电池的电解质溶液之间的电荷不平衡可以在一个或两个电极处引起质量传递限制，由此降低往返运行效率。由于电荷不平衡可以随着每个完成的充电和放电循环累加，因此由于寄生反应可能造成液流电池性能的不断降低。可以进行一种或两种电解质溶液的电荷再平衡以对抗寄生反应的效应。尽管有各种不同的电荷再平衡技术可用，但它们执行起来可能昂贵且耗时。确定电解质溶液中被氧化和还原的活性材料物质的真实浓度通常本身可能就是困难的，从而为电荷再平衡过程进一步增添难度。尽管电解质溶液的电荷再平衡在足够努力的情况下通常可以实现，但伴随的pH改变可能常常更难以解决。双极板通常使用在液流电池和相关的电化学系统中，以将电化学组堆中相邻的电化学池置于彼此电连通之中。所述双极板可以通过在给定电化学池中引起接触阻抗，产生运行低效率的另一个来源。当在本文中使用时，术语“接触阻抗”是指由两个导电表面之间的界面产生的对电学系统的总阻抗的贡献。具体来说，电极与双极板之间的界面处的接触阻抗通常可以占电池总阻抗的显著部分。鉴于上述，被构造用于减小寄生反应的发生率、接触阻抗和其他降低性能的因素的液流电池和其他电化学系统，在本领域中是非常合乎需要的。本公开满足了上述需求并且也提供了相关优点。
技术实现思路
在某些实施方式中，本公开提供了液流电池，其包括含有第一电极的第一半电池，含有第二电极的第二半电池，以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜。所述第一电极和第二电极中的至少一者具有密度梯度，使得所述第一电极和第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。在其他各种不同的实施方式中，提供了用于制造含有具有密度梯度的电极的电化学池的方法，所述方法包括：提供具有密度梯度的导电材料，以及从其形成电化学池。所述电化学池包括：含有第一电极的第一半电池，含有第二电极的第二半电池，以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜。所述第一电极和第二电极中的至少一者包含所述具有密度梯度的导电材料，并且所述第一电极和第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。在其他各种不同的实施方式中，本公开描述了用于运行含有具有密度梯度的电极的液流电池的方法。这种方法包括：提供具有电化学池的液流电池，其包括含有第一电极的第一半电池，含有第二电极的第二半电池，以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜；并且使第一电解质溶液循环通过所述第一半电池，并使第二电解质溶液循环通过所述第二半电池。所述第一电极和第二电极中的至少一者含有具有密度梯度的导电材料，并且所述第一电极和第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。所述第一电解质溶液和第二电解质溶液中的至少一者的对流流动优先地发生在所述第一电极或第二电极靠近所述隔膜的低密度区中。上面的描述相当宽泛地概括了本公开的特点，以便可以更好地理解下面的详细描述。本公开的其他特点和优点将在后文中描述。这些以及其他的优点和特点将从下面的描述变得更加显而易见。附图说明为了更完全地理解本公开及其优点，现在将结合描述本公开的特定实施方式的附图参考下面的描述，在所述附图中：图1示出了含有单个电化学池的说明性液流电池的示意图；图2示出了含有与每个电极邻接的双极板的说明性电化学池构造的示意图；图3示出了含有相间错杂的流动通道的双极板的说明性示意图；图4示出了在远离隔膜的位置处电极密度提高的说明性电化学池构造的示意图；图5A和5B示出了说明性示意图，证实了在具有密度梯度的电极不存在和存在的情况下流体流动动力学的差异；并且图6示出了恒定密度电极和梯度密度电极的计算的电池阻抗随荷电状态而变化的比较图。专利技术详述本公开部分地涉及含有具有密度梯度的电极的液流电池。本公开还部分涉及用于制造含有具有密度梯度的电极的液流电池的方法。本公开还部分涉及通过利用一个或多个具有密度梯度的电极来提高液流电池和相关电化学系统内的电化学池的操作性能的方法。通过与形成本公开的一部分的附图和实例相结合参考下面的描述，可以更容易地理解本公开。应该理解，本公开不限于本文中描述和/或示出的特定产品、方法、条件或参数。此外，本文中使用的术语是出于描述仅仅作为实例的特定实施方式的目的，并且除非另有指明，否则不打算是限制性的。同样地，除非另有具体陈述，否则本文中针对组合物的任何描述意在是指所述组合物的固体和液体两种形式，包含含有所述组合物的溶液和电解质以及含有这些溶液和电解质的电化学池、液流电池和其他储能系统。此外应该认识到，在本公开描述电化学池、液流电池或其他储能系统的情况下，应该认识到也暗示性描述了用于运行所述电化学池、液流电池或其他储能系统的方法。还应该认识到，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液流电池，其包含：含有第一电极的第一半电池；含有第二电极的第二半电池；以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜；其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者具有密度梯度，使得所述第一电极和所述第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.27 US 15/167,9261.一种液流电池，其包含：含有第一电极的第一半电池；含有第二电极的第二半电池；以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜；其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者具有密度梯度，使得所述第一电极和所述第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。2.权利要求1的液流电池，其中所述密度梯度是连续梯度。3.权利要求1的液流电池，其中所述密度梯度是步进梯度。4.权利要求1的液流电池，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者包含导电添加剂，所述导电添加剂被选择性沉积在所述第一电极、所述第二电极、或所述第一和第二电极两者上与所述隔膜相反的侧面处。5.权利要求4的液流电池，其中所述导电添加剂包含无定形碳、石墨、碳纳米管、石墨烯，或其任何组合。6.权利要求1的液流电池，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者包含碳布。7.权利要求6的液流电池，其中所述碳布包含导电添加剂，所述导电添加剂被选择性沉积在所述第一电极、所述第二电极、或所述第一和第二电极两者上与所述隔膜相反的侧面处。8.权利要求7的液流电池，其中所述导电添加剂包含无定形碳、石墨、碳纳米管、石墨烯，或其任何组合。9.权利要求1的液流电池，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者包含具有第一密度的第一碳布和具有第二密度的第二碳布；其中所述第一密度低于所述第二密度，并且所述第一碳布被夹在所述隔膜与所述第二碳布之间。10.权利要求1的液流电池，其中所述第一电极和所述第二电极两者都具有密度梯度。11.权利要求1的液流电池，其还包含：接触所述第一电极的第一双极板和接触所述第二电极的第二双极板。12.权利要求11的液流电池，其中所述第一双极板和所述第二双极板各自含有多个流动通道，所述多个流动通道被构造用于将第一电解质溶液递送到所述第一电极并将第二电解质溶液递送到所述第二电极。13.一种方法，所述方法包括：提供具有密度梯度的导电材料；以及形成电化学池，其包含：含有第一电极的第一半电池；含有第二电极的第二半电池；以及配置在所述第一半电池与第二半电池之间的隔膜；其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一者包含所述具有密度梯度的导电材料，并且所述第一电极和所述第二电极中的至少一者的密度从所述隔膜向外增加。14.权利要求13的方法，其还包括：通过在所述导电材料的第一侧面上选择性沉积导电添加剂，将密度梯度引入到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米·洛雷茨，萨里瓦特萨瓦·文卡塔兰加·普拉纳姆，海伦·伊丽莎白·万本舍特恩，
申请(专利权)人：洛克希德马丁能源有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US