用于大规模储能的无膜Zn/MNO2液流电池制造技术

本公开提供了新型电池，例如氧化还原液流电池，以及制作和操作电池的方法。某些实施方式包括氧化还原液流电池，其包括：壳体；设置于壳体内的第一电极；设置于壳体内且面向第一电极的第二电极，第一电极通过间隙与第二电极间隔，而没有介入离子选择性膜；以及流体输送机构，其连接到壳体并被配置以跨越第一电极和第二电极之间的间隙来输送电解质。二电极之间的间隙来输送电解质。二电极之间的间隙来输送电解质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于大规模储能的无膜Zn/MNO2液流电池
[0001]对相关应用的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年4月18日提交的美国临时专利申请号62/835,954的权益，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]关于联邦资助的研究或开发的声明
[0004]本专利技术是根据能源部授予的合同DE
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AC02
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76
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SFO0515在政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。

技术介绍

[0005]由于间歇性可再生能源的扩展以及对电能质量和能源管理的服务的需求，电网规模储能(Grid
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scale energy storage)引起了人们的极大关注。它敦促发展具有成本低、安全性好、能量密度高和可扩展性(scalability)的储能系统。在各种储能系统中，锂离子电池由于能量密度高而具有吸引力，但一些元素资源的可得性以及易燃、有毒和昂贵的有机电解质的使用仍然令人顾虑。相比之下，水性可充电电池具有低成本、高离子电导率、高安全性和环境友好性等有利特性。可得的水性电池包括Zn/LiM2O4、Zn/MnO2、Zn/NiOOH、铅酸(lead acid)(Pb酸)、金属氢化物(Ni
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MH)、镍铁(Ni
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Fe)和镍镉(Ni
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Cd)；然而，这些电池表现出循环稳定性不足和能量密度受限的问题(从而影响电池寿命期间的单位存储能量成本)，严重限制了它们的大规模应用。
[0006]与作为二次电池电极的固态活性物质不同，氧化还原液流电池具有独立于输出功率定制能量容量的突出能力。通常，液体电解质和电活性物质储存在外部，电极的作用是为氧化还原反应的发生提供电化学活性表面，如钒氧化还原电池、锌/溴电池、铅酸和碱性醌液流电池。这些特性使它们有望用于大规模储能。然而，这些系统中仍存在诸如活性物质浓度低、能量密度低、环境毒性高、离子选择性膜的成本高和电池系统的成本高等问题。因此，非常期望开发具有低成本、良好安全性和可扩展性的改进的液流电池。
[0007]Zn/MnO2水性电池由于其低成本、高安全性、高输出电压和环境友好性等优点引起了人们的极大兴趣。然而，主要由于循环过程中阴极反应的可逆性差，从而导致严重的容量衰减，因此在市场上仍占主导地位的是Zn/MnO2原电池，而不是可充电电池。
[0008]正是在这种背景下，出现了开发本公开中描述的实施方式的需要。

技术实现思路

[0009]本公开提供了新型电池，例如氧化还原液流电池，以及制作和操作电池的方法。
[0010]某些实施方式包括氧化还原液流电池，其包括：壳体；设置于壳体内的第一电极；设置于壳体内且面向第一电极的第二电极，第一电极通过间隙与第二电极间隔，而没有介入离子选择性膜；以及流体输送机构，其连接到壳体并被配置以穿过第一电极和第二电极之间的间隙输送电解质。在一些实施方式中，第一电极是阴极，而第二电极是阳极。在一些实施方式中，第一电极包括多孔传导性支撑体。在一些实施方式中，多孔传导性支撑体是碳质纤维支撑体。在一些实施方式中，第二电极包括锌。在一些实施方式中，第二电极包括锌
箔。在一些实施方式中，流体输送机构包括配置以储存电解质的容器和连接在容器和壳体之间并配置以将电解质从容器输送到壳体中的泵。
[0011]其它实施方式包括操作氧化还原液流电池的方法，包括：提供第一电极；提供面向第一电极的第二电极，第一电极通过间隙与第二电极间隔；并且穿过第一电极和第二电极之间的间隙输送水性电解质，水性电解质包括锰离子和锌离子。在一些实施方式中，第一电极与第二电极间隔一个间隙，而没有介入离子选择性膜。在一些实施方式中，第一电极是阴极，而第二电极是阳极。在一些实施方式中，第一电极包括多孔传导性支撑体。在一些实施方式中，多孔传导性支撑体是碳质纤维支撑体。在一些实施方式中，第二电极包括锌。在一些实施方式中，第二电极包括锌箔。在一些实施方式中，电解质被配置以支持锰在第一电极处的可逆沉淀和溶解以及锌在第二电极处的可逆沉淀和溶解。在一些实施方式中，锰离子的浓度在约0.1M至约5M、约0.5M至约4M、约0.5M至约3M、约0.5M至约2M或约0.5M至约1M的范围内。在一些实施方式中，锌离子的浓度在约0.1M至约5M、约0.5M至约4M、约0.5M至约3M、约0.5M至约2M或约0.5M至约1M的范围内。在一些实施方式中，水性电解质具有约7或以下、约6.5或以下、约6或以下、约5.5或以下、约5或以下、约4.5或以下、或约4或以下的pH。
[0012]还设想了本公开的其它方面和实施方式。前述概述和以下详细描述并不意在将本公开限制于任何具体实施方式而仅意在描述本公开的一些实施方式。
附图说明
[0013]图1显示氧化还原Zn/MnO2液流电池的实施方式。图1a显示了无膜氧化还原液流水性电池的配置。图1b显示了在约2mA的恒定充电电流和约2mA的放电电流(它等于约4C；nC的速率对应于1/n h内的完全放电)下获得的充电和放电曲线。图1c显示了在约2.0V vs.Zn
2+
/Zn的恒定充电电压和约4C的放电速率下获得的充电和放电曲线，以及图1d显示了1000次循环后的相应容量保持率(以25次循环的间隔显示数据)。
[0014]图2显示了从氧化还原液流Zn/MnO2电池实施方式获得的样品的表征的实施方式。图2a显示了首次充电后碳毡的SEM图像。依次在图2b(约1.6V)、图2c(约1.3V)、图2d(约1.0V)vs.Zn
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/Zn的第一次放电电压下获得了碳毡的SEM图像(见图1c)。图2e显示了XRD图谱，图2f显示了图2a中第一次充电后沉积在碳毡表面上的阴极材料的XPS光谱。
[0015]图3显示了不同放电速率下Zn/MnO2电池实施方式中氧化还原流(redox flow)的充电和放电曲线以及不同样品的相应XPS表征。图3a显示了当充电电压为约2.0V Zn2+/Zn时在各种放电速率下的第一次充电和放电曲线。图3b显示了当充电电压为约2.0V vs.Zn
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/Zn时，在不同放电速率下的第十次充电和放电曲线。图3c和图3d显示了当放电速率为约0.5C时在约1.4V、约1.3V和约1.0V vs.Zn
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/Zn(在图3a中标记)的第一个不同放电终止电压下获得的样品的XPS谱。图3c为Mn 2p和图3d为Zn 2p。与虚线相邻的数字代表峰的结合能值。
[0016]图4显示了Mn
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离子浓度和pH值对实施方式的电池性能的影响。当电解质含有图4a(约0.5M Mn
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和约1M Zn
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离子，其中pH值为约4.1)和图4b(约3M Mn
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和约1M Zn
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离子，其中pH值为约3.0)时的充电和放电曲线。图4c、图4d为当加入浓硫酸(H2SO4)将电解质的pH值调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种氧化还原液流电池，包括：壳体；第一电极，其设置于所述壳体内；第二电极，其设置于所述壳体内且面向所述第一电极，所述第一电极通过间隙与所述第二电极间隔，而没有介入离子选择性膜；以及流体输送机构，其连接到所述壳体并被配置以穿过所述第一电极和所述第二电极之间的所述间隙来输送电解质。2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其中所述第一电极为阴极，以及所述第二电极为阳极。3.根据权利要求1
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2中任一项所述的氧化还原液流电池，其中所述第一电极包括多孔传导性支撑体。4.根据权利要求3所述的氧化还原液流电池，其中所述多孔传导性支撑体是碳质纤维支撑体。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的氧化还原液流电池，其中所述第二电极包括锌。6.根据权利要求5所述的氧化还原液流电池，其中所述第二电极包括锌箔。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的氧化还原液流电池，其中所述流体输送机构包括容器和泵，所述容器被配置以储存所述电解质，所述泵连接在所述容器和所述壳体之间并且被配置以将所述电解质从所述容器输送到所述壳体中。8.一种操作氧化还原液流电池的方法，包括：提供第一电极；提供面向所述第一电极的第二电极，所述第一电极通过间隙与所述第二电极间隔；以及穿过所述第一电极和所述第二电极之间的所述间隙输送水性电解质，所述水性电解质包括锰离子和锌离子。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一电极与所述第二电极通过所述间隙间隔开，而没有...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：里兰斯坦福初级大学理事会，
类型：发明
国别省市：