用于电池应用的氧化还原液流电池和化合物制造技术

本公开涉及有机电解质溶液，所述有机电解质溶液包含有机电解质(例如，芳族酰亚胺、二茂铁、螺环稠合化合物或环丙烯鎓化合物)；以及包含所述有机电解质溶液的氧化还原液流电池和体系。

Redox fluid flow batteries and compounds for battery applications

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池应用的氧化还原液流电池和化合物相关申请的交叉引用本申请要求2017年8月17日提交的美国临时申请号62/546,967和2017年10月19日提交的美国临时申请号62/574,590的优先权，这些美国临时申请的内容以其整体以引用方式并入，并且要求这些美国临时申请优先权。授权信息本专利技术是在国家科学基金会(NationalScienceFoundation,NSF)授予的DMR-1420634的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
本公开涉及有机电解质溶液、包括所述有机电解质溶液的氧化还原液流电池和体系。包括太阳能和风力发电在内的某些类型的可再生能源发电可能是间歇性的。至少部分地由于这些能量源的间歇性，需要有效且耐用的能量存储设备来存储从此类能量源产生的功率。氧化还原液流电池(RFB)是一种适用于存储从可再生能源产生的功率的能量存储设备。RFB包括具有存储电解质的电池，所述存储电解质可溶解在溶剂中、可存储在储槽中并泵送通过电化学电池。在此类电池中，功率和容量可以独立地去耦和变化。例如，可以通过调节电池堆来选择功率，并且可以通过调节储槽的大小来选择存储容量。然而，仍然需要用于具有改进的稳定性并具有适于存储从可再生能源产生的功率的特性的RFB的技术和体系。
技术实现思路
本公开提供了包含改进的有机化合物的有机电解质溶液、包含所述有机电解质溶液的氧化还原液流电池和体系。在一个方面中，本公开提供了一种电解质溶液，所述电解质溶液包含溶剂和电解质，所述电解质是芳族酰亚胺、二茂铁衍生物、环丙烯鎓化合物，或它们的组合，其中所述电解质可溶于所述溶剂中。在某些实施方案中，芳族酰亚胺是苝二酰亚胺(PDI)的衍生物、萘二酰亚胺的衍生物，或它们的组合。在某些实施方案中，电解质是苝二酰亚胺三氟甲烷磺酰亚胺([PDI][TFSI]2)。在某些实施方案中，电解质是四茂铁([Fc4])。在某些实施方案中，环丙烯鎓化合物是二甲基哌啶环丙烯鎓。在某些实施方案中，所述溶剂是非水溶剂。在某些实施方案中，非水溶剂选自二甲基乙酰胺、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙腈、γ-丁内酯(GBL)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、氟代碳酸乙烯酯和N,N-二甲基乙酰胺。在某些实施方案中，所述溶剂是水性溶剂。在某些实施方案中，所述水性溶剂包括水。在某些实施方案中，所述水性溶剂还包括选自NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和LiCl的盐。在另一方面中，本公开提供了一种氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池包括具有阴极电解质的阴极单元；以及具有阳极电解质的阳极单元，其中所述阴极电解质和所述阳极电解质中的至少一者包含本文所公开的有机电解质溶液。在某些实施方案中，阳极电解质包含PDI衍生物，并且阴极电解质包含二茂铁衍生物。在某些实施方案中，阳极电解质包含[PDI][TFSI]2，并且阴极电解质包含[Fc4]。在某些实施方案中，阳极电解质包含[PDI][TFSI]2，并且阴极电解质包含二甲基哌啶环丙烯鎓。在某些实施方案中，氧化还原液流电池还包括电极，所述电极可以是碳毡电极。在某些实施方案中，所述电极是碳纸电极。在某些实施方案中，氧化还原液流电池还包括安置在阴极单元与阳极单元之间的作为分隔件的膜。所述膜可以是透析型尺寸排阻膜、纤维素膜或离子交换膜。在某些实施方案中，该膜是在2018年7月17日提交的美国临时申请号62/699,489中公开的膜，该美国临时申请的内容以引用方式并入本文。在某些实施方案中，氧化还原液流电池还包含支持电解质。在某些实施方案中，所述支持电解质是六氟磷酸锂(LiPF6)。在某些实施方案中，所述支持电解质是双三氟甲烷磺酰亚胺锂。在某些实施方案中，本文公开的氧化还原液流电池在超过50次充电和放电循环的每次循环中的库仑效率为约99％。在另一方面中，本公开提供了一种用于电池中的有机化合物，所述有机化合物具有由下式(I)表示的结构：或其衍生物，其中R表示烷基、醚、铵盐，或任何增溶链。在某些实施方案中，所述有机化合物是螺乙基邻苯二甲酰亚胺。在某些实施方案中，所述有机化合物是螺乙基邻苯二酚。在另一方面中，本公开提供了一种氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池包含具有由下式(I)表示的结构的螺环稠合有机化合物：或其衍生物，其中R表示烷基、醚、铵盐，或任何增溶链。在某些实施方案中，所述有机化合物是螺乙基邻苯二甲酰亚胺或螺乙基邻苯二酚。在某些实施方案中，所述氧化还原液流电池还包含阳极电解质。在某些实施方案中，所述阳极电解质是[Fc4]。在某些实施方案中，所述阴极电解质是环丙烯鎓化合物。在某些实施方案中，所述环丙烯鎓化合物是二甲基哌啶环丙烯鎓。在某些实施方案中，所述氧化还原液流电池还包括作为分隔件的膜。在某些实施方案中，所述膜是Daramic175。在某些实施方案中，所述膜是离子交换膜。在某些实施方案中，所述膜是美国临时申请号62/699,489中公开的膜。在另一方面中，本公开提供了一种电力存储系统，所述电力存储系统包括氧化还原液流电池，其中所述氧化还原液流电池包括具有由下式(I)表示的结构的螺环稠合有机化合物：或其衍生物，其中R代表烷基、醚、铵盐，或任何增溶链。附图说明图1.[PDI]2+和[Fc4]的完整分子结构。图2.方案S1：合成[Fc4]。图3.方案S2：合成[PDI][TFSI]2图4.[Fc4]的1HNMR(上部小图)和13CNMR光谱(下部小图)。图5.[PDI][TFSI]2的1HNMR(上部小图)和13CNMR光谱(下部小图)。图6A至图6C.(A)氧化还原液流电池的示意图。(B)在该实施例中采用的活性电解质的结构。(C)示出电解质和示例性电池的充电和放电状态的示意图。图7A至图7F.(A)[Fc4]和[PDI][TFSI]2的循环伏安。(B、C)电池[PDI]0|[PDI]2+||[Fc4]4+|[Fc4]0的循环数据(2.42mM/1.14mM)。(B)如图所示，在静态单元中于1C(1.6mA/cm2)下重复充电(下部空心圆圈)/放电(下部实心圆圈)循环达50次循环。如图所示，还绘示了库仑效率(顶部圆圈)。(C)选择的充电和放电曲线。(D)使用1.17mM[Fc4]和1.8mM[PDI][TFSI]2组装的低浓度单元的循环数据。(E)使用0.4M电子当量(0.2M[PDI][TFSI]2和0.1M[Fc4])的高浓度单元的循环数据。(F)图7B所示的重复循环的原始数据。图8A至图8B.(A)以mA/cm2为单位的不同电流密度下的容量和库仑效率。(B)在不同电流密度下，选择的充电和放电循环的容量随电位的变化。图9A至图9D.将具有[PDI][TFSI]2和LiPF6的H-单元用(A)萘钠和(B)NOBF4处理，然后透析15h。(C、D)组装有在以下条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解质溶液，所述电解质溶液包括：/n溶剂；以及/n电解质，所述电解质是芳族酰亚胺、二茂铁衍生物、环丙烯鎓化合物，或它们的组合，/n其中所述电解质可溶于所述溶剂中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170817 US 62/546,967;20171019 US 62/574,5901.一种电解质溶液，所述电解质溶液包括：
溶剂；以及
电解质，所述电解质是芳族酰亚胺、二茂铁衍生物、环丙烯鎓化合物，或它们的组合，
其中所述电解质可溶于所述溶剂中。


2.如权利要求1所述的电解质溶液，其中所述芳族酰亚胺是苝二酰亚胺(PDI)的衍生物、萘二酰亚胺的衍生物，或它们的组合。


3.如权利要求1所述的电解质溶液，其中所述电解质是苝二酰亚胺三氟甲烷磺酰亚胺([PDI][TFSI]2)和/或四二茂铁([Fc4])。


4.如权利要求1所述的电解质溶液，其中所述溶剂选自由以下项组成的组：二甲基乙酰胺、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙腈、γ-丁内酯(GBL)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、氟代碳酸乙烯酯、N,N-二甲基乙酰胺、水和盐水。


5.如权利要求1所述的电解质溶液，其中所述溶剂包括水和盐，其中所述盐选自由以下项组成的组：NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和LiCl。


6.如权利要求1所述的电解质溶液，其中所述环丙烯鎓化合物为二甲基哌啶环丙烯鎓。


7.一种氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池包括：
阴极单元，所述阴极单元包含阴极电解质；以及
阳极单元，所述阳极单元包含阳极电解质，
其中所述阴极电解质和所述阳极电解质中的至少一者包含如权利要求1所述的电解质溶液。


8.如权利要求7所述的氧化还原液流电池，其中所述阳极电解质包含PDI衍生物，并且所述阴极电解质包含二茂铁衍生物。


9.如权利要求7所述的氧化还原液流电池，其中所述阳极电解质包含[PDI][TFSI]2，并且所述阴极电解质包含[Fc4]。


10.如权利要求7所述的氧化还原液流电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·纳科尔斯，R·埃尔南德斯桑切斯，杨元，T·西斯托，程倩，M·弥尔顿，
申请(专利权)人：纽约市哥伦比亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US