高表面面积的液流电池电极制造技术

流体单元电池包括至少一个阳极室和至少一个阴极室，并且分离膜设置在每个阳极室与每个阴极室之间。每个阳极室和每个阴极室均包括双极板和流体电解溶液以及位于双极板表面上的至少一种碳纳米材料，其中流体电解溶液在碳纳米材料周围流动。

High Surface Area Liquid Flow Battery Electrode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高表面面积的液流电池电极相关申请的交叉引用本申请要求于2011年10月17日提交的第13/274,495号美国申请的优先权，其通过引用并入本文。
本专利技术大体上涉及大尺寸（1KWh-几MWh）电能存储设备。具体地，本专利技术涉及液流电池形式的可再充电电池。更具体地，本专利技术涉及液流电池及其他可能类型电池的改进电极结构。
技术介绍
由于期望使用“绿色”能源和可再生能源，因此人们希望将这些间歇型能源并入电网。间歇型能源包括但不限于风能、太阳能、光伏能以及波浪能。例如，如果没有风，则风轮机将不能产生电能；然而，当其产生能量时，当前电网并不总能处理所产生的大量能量。与电网相连接的储能装置能够存储来自这些间歇型可再生能源的过量能量，并当需要时向电网释放所存储的能量。可再生能源和电网储能的这种组合将支持能量独立、减排以及可再生能源。还需要可靠的电网储能装置，以缓解输电阻塞、允许能量价格套利、以及改进电网的总体质量。人们相信液流电池是形成和改进电网存储的可行性解决方案。液流电池可以提供有效的模块化能量储存并且实现低成本。液流电池可被独立操作并通过利用可再填充液体反应物来提供足够的能量和额定功率，并且具有低周期冲击和长寿命。当液流电池涉及微电网或小功率系统时，其还具有其他用途，如用作后备电源。然而，这些系统的成本阻碍了其被大规模部署。系统成本的主要部分在于液流电池的单元电池堆以及相关的阳极电解液和阴极电解液。在很大程度上，电池堆的成本归因于流过单元电池堆的电流密度。较高的电流密度使得更多功率生成在给定单元电池堆中并有效地减小每瓦特的成本。但是由于低表面面积电极的当前技术状态，较高的电流密度将导致更高的能量损失，这样会增加运营成本。因此，电极需要具有更大的电活性表面面积，并且仍需设法使成本最小化。当前的液流电池系统使用基于碳的材料，如碳毡，以用于电极。参照图1，可以看到，已知的液流电池结构大体由附图标记10表示。电池10设置成单个单元电池的结构，但是本领域技术人员应理解，多个单元电池可被包括在一个堆中，并且可使用多个堆。在任何情况下，液流电池包括阳极12和阴极14，这两者都被称为电极。阳极电解液容器16和阴极电解液容器18引导各自的流体材料通过阳极流动区域22和阴极流动区域24。分离膜20用于分隔阳极电解液流动区域22与阴极电解液流动区域24并且允许这两个流动面积之间的离子交换。当这些材料流经其各自通道时，可通过氧化还原反应生成电能，其中电子通过示意性示为灯泡的外部电负载26。本领域技术人员应理解，液流电池为可再充电电池，其中包括一个或多个溶解的电活性物质的阳极电解液和阴极电解液流经电化学单元电池，其中该电化学单元电池将化学能直接转换成电能。液流电池通过当外部电功率源施加至电极时使电解溶液液体再次流过流动区域而被再次充电，从而有效地反向电生成反应。液流电池在以下方面是有利的：在电解溶液中的活性物质反应准许反应物的外部存储，从而允许功率和能量密度规格独立地按比例增加。此外，外部存储反应物避免了在其他主次电池系统中所观察到的自放电。这样，在负载需要之前，能量有效地存储在阳极电解液容器和阴极电解液容器中。在液流单元电池的操作中利用各种化学过程。具体地，可使用不同类型的阳极电解液材料和阴极电解液材料。例如，可使用锌溴系统，其中在单元电池堆中进行镀锌。这些类型的配置使用效率高且成本低的反应物。还可使用钒氧化还原技术。这样提供了高的效率但是提供了低的能量密度。在材料之间交叉污染风险被最小化，但是钒是一种昂贵的材料并且所使用的五氧化物在其不可再用后是一种具有危害的物质。另一类型的液流电池使用铁铬。其优点在于使用低成本反应物，但是与锌溴或钒氧化还原实施方式相比其当前仅用于较小型的系统。在液流电池结构中还可以使用其他化学对。液流电池通常使用碳毡电极。这种配置在以下方面是有利的：碳电极与典型的阳极电解液溶液和阴极电解液溶液化学相容，并提供较高的表面面积和良好的导电性。碳毡提供高数目的反应点并且是分立部件，其夹在或设置在双极板与膜分离件之间，其中双极板通常为实心碳或导电聚合物材料。碳毡直接地与双极板接触。可用于电极的其他材料为直接嵌入在双极板中的碳或石墨颗粒。碳毡电极的显著缺陷是其限制期望的电流密度。具体地，电流密度被认为由表面面积和电活性反应点的缺失而被限制。因此，本领域需要这样的液流电池，其使用具有提高的表面面积的电极，以允许反应点的更高密度以及因此存储和生成更高功率输出的能力。还需要提供使系统级成本最小化的这种改进电极。
技术实现思路
通过上文的描述，本专利技术的第一方面是提供高表面面积的液流电池电极。本专利技术的另一方面是提供一种液流单元电池，其包括至少一个阳极室、至少一个阴极室、以及设置在每个阳极室与每个阴极室之间的分离膜，每个阳极室和每个阴极室均包括双极板、流体电解溶液和位于双极板的表面上的至少一种碳纳米材料，其中流体电解溶液在碳纳米材料周围流动，该碳纳米材料相邻地设置在双极板的至少一侧上。本专利技术的又一方面是在液流电池中使用的液流电池电极，其中液流电池电极保持在液流电池的阳极室或阴极室中，其中室包括与流动通道邻近的双极板，电解溶液通过流动通道流动，液流电池电极包括与双极板邻近的多孔碳纳米材料结构，其中多孔碳纳米材料结构包括编织丝或非编织丝或其组合。本专利技术的再一方面是提供用于构造液流单元电池的方法，其包括提供至少一个阳极室，提供至少一个阴极室，在每个阳极室与每个阴极室之间设置分离膜，以及向每个室提供双极板和设置在双极板的表面上的至少一种碳纳米材料，每个室具有流动通道，碳纳米材料延伸到流动通道中，以使得流体电解溶液在纳米材料周围流动。附图说明参考以下描述、所附权利要求以及附图，本专利技术的这些及其他特征和优点将被更好地理解，在附图中：图1是现有技术的液流电池的示意图；图2是根据本专利技术构思的液流单元电池的放大详细示意图；图3其表面延伸有碳纳米材料的碳纤维的放大示意图；图4是根据本专利技术构思的具有碳纳米材料的覆盖层的双极板的部分示意性立体图；图5是根据本专利技术构思的充有碳纳米材料的碳毡的放大示意图；图6示意性示出了根据本专利技术构思的形成充有碳纳米材料的碳毡的方法；以及图7示意性示出了根据本专利技术构思的形成充有碳纳米材料的碳毡的另一方法。具体实施方式现在参照图2，可看到单元电池大体上由附图标记40表示。单元电池40可设置成单个配置、或者多个单元电池可彼此相邻地堆叠并可用作液流单元电池。每个单元电池40设有至少一个阳极室41和至少一个阴极室42。当多个室设于单元电池40中时，阳极室41与阴极室42相交替。每个室41/42均包括流动通道43，其中每个流动通道与电极（阳极或阴极）相关联。随着本文的描述将变得更显而易见的是，每个阳极室41/阴极室42作为使电子流动的电极，从而存储由源生成的电能或将电子传输至电负载。两个流动通道由分离膜46分开，其中分离膜46居中设置在每个室或电极之间并允许在阳极电解液流47与阴极电解液流48之间的离子导电性。在本实施方式中，分离膜46允许通过H+和/或Cl-种类等的离子电流，并且防止氧化还原物质（如但不限于Fe2+Fe3+、Cr2+Cr3+、V2+/V3+/V4+/V5+和Ce3+/Ce4+等）的迁移。每个单元电池40包括在一对双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液流单元电池，包括：至少一个阳极室；至少一个阴极室；分离膜，设置在每个所述阳极室与每个所述阴极室之间；每个所述阳极室和每个所述阴极室均包括：双极板、流体电解溶液以及碳纳米材料结构，所述碳纳米材料结构生长至所述双极板的表面，其中所述流体电解溶液通过并围绕所述碳纳米材料结构流动，其中所述双极板的至少一侧具有多个通道，以提供嵌入式流动图案，其中所述多个通道覆盖有所述碳纳米材料结构，其中所述碳纳米材料结构与所述双极板大体垂直。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.17 US 13/274,4951.一种液流单元电池，包括：至少一个阳极室；至少一个阴极室；分离膜，设置在每个所述阳极室与每个所述阴极室之间；每个所述阳极室和每个所述阴极室均包括：双极板、流体电解溶液以及碳纳米材料结构，所述碳纳米材料结构生长至所述双极板的表面，其中所述流体电解溶液通过并围绕所述碳纳米材料结构流动，其中所述双极板的至少一侧具有多个通道，以提供嵌入式流动图案，其中所述多个通道覆盖有所述碳纳米材料结构，其中所述碳纳米材料结构与所述双极板大体垂直。2.根据权利要求1所述的电池，其中所述阳极室的电极功能、所述阴极室的电极功能、或这两者都集成到所述双极板中。3.根据权利要求2所述的电池，其中所述双极板由所述碳纳米材料结构覆盖。4.根据权利要求1所述的电池，其中所述碳纳米材料结构设置在图案中，以形成通过所述碳纳米材料结构的流动图案。5.根据权利要求1所述的电池，其中所述阳极室和所述阴极室中的所述碳纳米材料结构至少部分地在所述双极板与相邻的所述分离膜之间延伸。6.一种配置为在液流电池中使用的液流电池电极室，其中所述液流电池电极室为阳极室和阴极室中之一，所述液流电池电极室包括：双极板、流体电解溶液以及碳纳米材料结构，所述碳纳米材料结构生长至所述双极板的表面，其中所述流体电解溶液通过并围绕所述碳纳米材料结构流动，其中所述双极板的至少一侧具有多个通道，以提供嵌入式流动图案，其中所述多个通道覆盖有所述碳纳米材料结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·L·辛萨鲍，格雷戈里·彭赛罗，刘晗，劳伦斯·P·赫策尔，
申请(专利权)人：洛克希德马丁公司，
类型：发明
国别省市：美国,US