电解质的电再生制造技术

本发明专利技术提供了液流电池组和减少容量损失的使用液流电池组的方法。可以通过电氧化负电解质中的有机物质来减轻容量损失。解质中的有机物质来减轻容量损失。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解质的电再生
[0001]关于联邦资助研究的声明
[0002]本专利技术是在能源部(Department of Energy)授予的DE
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AC36
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08GO28308和DE
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AR0000767以及在国家科学基金会(National Science Foundation)授予的CBET
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1509041和CBET
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1914543的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
[0003]专利技术背景
[0004]从可再生资源如太阳和风产生的电力的成本已经变得可与来自化石燃料的电力竞争。尽管如此，间歇性可再生电力的广泛采用需要新的方法，以便在这些资源不可用于发电时长时间可靠地储存和输送电力。其能量和功率容量可独立地缩放的氧化还原液流电池组(RFB)可以实现成本有效的长时间放电。
[0005]全钒氧化还原液流电池组化学目前是技术上最发达的，但是由于电解质成本限制，可能无法进入大部分电网存储市场。包含更便宜的地球上含量丰富的元素的新兴有机电解质可以解决这种限制。但是，有机电解质更易于分子分解，这会导致电荷存储容量的逐渐损失。因此，需要逆转分解的机制。
[0006]专利技术概述
[0007]本专利技术的特征在于通过电化学再生负电解质来延长氧化还原液流电池组寿命的方法。本专利技术的特征在于通过电化学再生负电解质以及重新平衡负电解质与正电解质中氧化还原物质的氧化态与还原态来延长氧化还原液流电池组寿命的方法。/>[0008]在一方面，本专利技术提供了使液流电池组放电的方法，该方法包括以下步骤：a)提供液流电池组，该液流电池组包括与第一电极接触的在水性溶液或悬浮液中包含有机物质的负电解质、与第二电极接触的包含氧化还原活性物质的正电解质、以及分隔负电解质与正电解质的屏障，其中当该液流电池组放电时，该有机物质降解为降解产物；b)使液流电池组放电，使得负电解质被氧化且正电解质被还原，以及c)向负电解质施加足以使降解产物恢复为氧化的有机物质的电脉冲。
[0009]在本文中描述的方法的实施方案中，该有机物质是氢醌类。
[0010]在本文中描述的方法的实施方案中，该氢醌类是蒽醌类的还原形式，例如式(I)的蒽醌类：
[0011][0012]其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8中的每一个独立地选自H；卤素；任选取代的C1‑6烷基；氧代；任选取代的C3‑
10
碳环基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂环基；任选取代的C6‑
20
芳基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂芳基；
‑
CN；
‑
NO2；
‑
OR
a
；
‑
SR
a
；
‑
N(R
a
)2(例如氨基)；
‑
C(＝O)R
a
；
‑
C(＝O)OR
a
(例如羧基)；
‑
S(＝O)2R
a
；
‑
S(＝O)2OR
a
(例如SO3H)；
‑
P(＝O)R
a2
；和
‑
P(＝O)(OR
a
)2(例如膦酰基或磷酰基)；或任何两个选自R1、R2、R3和R4的相邻基团接合以形成任选取代的3
‑
6元环，或其离子，其中每个R
a
独立地为H；任选取代的C1‑6烷基；任选取代的C3‑
10
碳环基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂环基；任选取代的C6‑
20
芳基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂芳基；氧保护基团；或氮保护基团。一种示例性的蒽醌类是2，6
‑
二羟基
‑
9，10
‑
蒽醌。醌的一种示例性降解产物是蒽酮。在某些实施方案中，该有机物质是萘醌、还原吩嗪、还原芴酮、还原的N，N
’‑
二取代吩嗪、还原的单季铵化或N，N
’‑
二季铵化吩嗪、还原吩噁嗪、还原吩噻嗪或还原的二季铵化联吡啶。
[0013]在本文中描述的方法的实施方案中，施加电脉冲大约0.1至大约48小时。在一些实施方案中，施加的电脉冲处于高于降解产物的氧化电位的电位。在一些实施方案中，电脉冲处于高于降解产物的氧化电位至少+100mV的电位，例如高于降解产物的氧化电位大约+100mV至大约+1500mV(例如大约+500mV)。
[0014]在本文中描述的方法的实施方案中，步骤(c)进一步包括向负电解质提供至少一种电催化剂。在一些实施方案中，该电催化剂包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米颗粒、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒。
[0015]在本文中描述的方法的实施方案中，步骤(c)进一步包括向负电解质提供一种或多种氧化还原介体。在一些实施方案中，该一种或多种氧化还原介体包括分子氧、铁氰化物、高锰酸钾、DBEAQ(4，4
’‑
([9，10
‑
蒽醌
‑
2，6
‑
二基]二氧基)二丁酸)、DPPEAQ([9，10
‑
二氧代
‑
9，10
‑
二氢蒽
‑
2，6
‑
二基]双[氧基]双[丙烷
‑
3，1
‑
二基])双(膦酸))、DPivOHAQ(3，3
’‑
(9，10
‑
蒽醌
‑
二基)双(3
‑
甲基
‑
丁酸))、DBAQ(4，4
’‑
(9，10
‑
蒽醌
‑
二基)二丁酸)、DPAQ(蒽醌
‑
2，6
‑
二丙酸)、苯醌或萘醌。
[0016]在本文中描述的方法的实施方案中，步骤(c)进一步包括改变负电解质的pH。在一些实施方案中，用于施加电脉冲的电极包含碳或金属。在一些实施方案中，用于施加电脉冲的电极包含不锈钢、钛、铜、铋或铅。
[0017]在本文中描述的方法的实施方案中，该氧化还原活性物质包含溴、氯、碘、分子氧、钒、铬、钴、铁、铝、锰、钴、镍、铜或铅。
[0018]在本文中描述的方法的实施方案中，该电池组循环至少100次。
[0019]在一方面，本专利技术提供了一种液流电池组，其包括i)与第一电极接触的在水性溶液或悬浮液中包含有机物质的负电解质；ii)与第二电极接触的包含氧化还原活性物质的正电解质；iii)分隔负电解质与正电解质的屏障；和iv)与负电解质接触的第三电极，其中第三电极设置为向该负电解质施加电脉冲。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.使液流电池组放电的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供液流电池组，所述液流电池组包括与第一电极接触的在水性溶液或悬浮液中包含有机物质的负电解质、与第二电极接触的包含氧化还原活性物质的正电解质、以及分隔负电解质与正电解质的屏障，其中当所述液流电池组放电时，所述有机物质降解为降解产物；b)使液流电池组放电，使得负电解质被氧化且正电解质被还原；以及c)向负电解质施加足以使降解产物恢复为氧化的有机物质的电脉冲。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机物质是氢醌类。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氢醌类是式(I)的蒽醌类的还原形式：其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8中的每一个独立地选自H；卤素；任选取代的C1‑6烷基；氧代；任选取代的C3‑
10
碳环基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂环基；任选取代的C6‑
20
芳基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂芳基；
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CN；
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NO2；
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OR
a
；
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；
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N(R
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)2；
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C(＝O)R
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；
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；
‑
S(＝O)2OR
a
；
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P(＝O)R
a2
；和
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P(＝O)(OR
a
)2；或任何两个选自R1、R2、R3和R4的相邻基团接合以形成任选取代的3
‑
6元环，或其离子，其中每个Ra独立地为H；任选取代的C1‑6烷基；任选取代的C3‑
10
碳环基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂环基；任选取代的C6‑
20
芳基；任选取代的具有1至4个独立地选自O、N和S的杂原子的C1‑9杂芳基；氧保护基团；或氮保护基团。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述氢醌类是2，6
‑
二氢蒽醌的还原形式。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机物质是氢萘醌、还原吩嗪、还原的N，N
’‑
二取代吩嗪、还原的单季铵化或N，N
’‑
二季铵化吩嗪、还原吩噁嗪、还原吩噻嗪、还原芴酮、或还原的二季铵化联吡啶。6.根据权利要求1所述的方法，其中施加电脉冲大约1至大约48小时。7.根据权利要求1所述的方法，其中施加的电脉冲处于高于降解产物的氧化电位的电位。8.根据权利要求1所述的方法，其中电脉冲处于高于降解产物的氧化电位至少+100mV的电位。9.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)进一步包括向负电解质提供至少一种电催化剂。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电催化剂包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米颗粒、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒。11.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)进一步包括向负电解质提供一种或多种氧化还原介体。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一种或多种氧化还原介体包括分子氧、铁氰
化物、高锰酸钾、DBEAQ(4，4
’‑
([9，10
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蒽醌
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2，6
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二基]二氧基)二丁酸)、DPPEAQ([9，10
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二氧代
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9，10
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二氢蒽
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2，6
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二基]双[氧基]双[丙烷
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3，1
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二基])双(膦酸))、DPivOHAQ(3，3
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(9，10
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蒽醌
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二基)双(3
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甲基
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丁酸))、DBAQ(4，4
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(9，10
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蒽醌
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二基)二丁酸)、DPAQ(蒽醌
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2，6
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二丙酸)、苯醌或萘醌。13.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)进一步包括改变负电解质的pH。14.根据权利要求1所述的方法，其中用于施加电脉冲的电极包...

【专利技术属性】
技术研发人员：MA，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，
类型：发明
国别省市：