能在電化學反應中操作的陰極和相關的電池、裝置以及方法
【專利說明】能在電化學反應中操作的陰極和相關的電池、裝置從及方 法
[oow] 相關專利申請
[0002] 本申請要求于2013年6月7日提交的美國臨時申請S.N. 61/832, 236 (G.Soloveich化等人）；和 2013 年6月 7 日提交的S.N. 61/832, 221 (G.Soloveichik)的權益。 運兩個申請的內(nèi)容均通過引用并入本文。 柳的]背景
[0004] 電網(wǎng)規(guī)模的電能儲存巧E巧指的是大規(guī)模地將電力儲存在電力網(wǎng)中的方法。簡言 之，在當發(fā)電廠的產(chǎn)量超過消耗量的時間期間儲存電能。當消耗量超過產(chǎn)量時，使用儲存的 電力。W該方式可將電力的生產(chǎn)保持在更穩(wěn)定的水平。由此，可更有效和容易地操作燃料 基發(fā)電廠（即煤、油、氣）。此外，關于電網(wǎng)連接的"間斷性能量源"的效果，例如太陽能（光 電的）和風能滿輪，存在更多的可預測性和更大的靈活性。由此，電網(wǎng)規(guī)模的EES是和可再 生能源的使用有關的一個重要方面。然而，現(xiàn)行可用的EES技術常常W高成本操作和/或 并非實際可縮放。
[O(K)日]氧化還原（氧化還原）液流電池（RFB)被認為是用于邸S的強有力的候選物，運 歸因于它們分離電力和能量的能力、它們的靈活布置和它們潛在的低成本。然而，當前使用 的電極材料（例如饑或漠）的低能量密度（20-50Wh/kg)和高材料成本抑制RFB對市場的 廣泛滲透。除了昂貴的全饑裝置外，大多數(shù)其它RFB化學物質(zhì)包括可對交叉污染敏感的陰 極電解液-陽極電解液系統(tǒng)。該污染不可通過使用離子交換膜來防止，并由此成為可需要 活性材料再加工的主要問題。像運樣的另外的加工步驟可增加維護成本和停工期，并減少 RFB裝置的壽命。通常，對于降低或消除像那些使用RFB的邸5技術中的兩個主要缺點：低 能量密度和高材料成本，存在相當?shù)呐d趣。
[0006] 膽能裝置（像液流電池）的另一個重要的用途是電動車輛巧V)。對于現(xiàn)代EV，已 放棄使用不實用的重鉛酸電池。盡管高度進步的電池化學物質(zhì)（像裡離子）顯示出應用于 現(xiàn)代EV的巨大前景，但仍留有嚴重缺點。例如，在EV中，電池系統(tǒng)仍通常代表最昂貴和最 重的組件。此外，出于安全考慮，電池系統(tǒng)周圍常常需要金屬或"裝甲"外覆。外覆可向EV 增加另外的重量。運可繼而對電池提出更大的要求；并可在必須再充電之前減少操作時間。 不像裡離子和其它電池系統(tǒng)類型，液流電池可方便地在物理意義上分離陰極和陽極組件， 并且運可降低在電池的電極組件彼此緊靠放置時可出現(xiàn)的危險。
[0007] 由上述考慮而應明顯的是，新型液流電池和電池內(nèi)的組件將為本領域所期望。例 如，具有增加能量密度的潛力的液流電池對于多種終端用途將顯示出可觀的進步。結(jié)合通 過液流電池設計（例如，陰極和陽極的選擇性位置）容許的靈活性，電池化學成分的相對低 成本將代表另一個期望的屬性。此外，形成電池的一部分的新型電極（例如陰極）可極好 地用于其它電化學應用和相關系統(tǒng)，例如燃料電池和傳感器。
[0008] 簡述
[0009] 本發(fā)明的一個實施方案設及液流電池（有時稱為"液流-輔助電池"），其包含：
[0010] (a)第一室（陰極電解液），其包含面素含氧酸化合物的至少一種鹽的水性溶液； W11] (b)第二室（陽極電解液），其包含能夠參加與組分（a)的鹽的還原-氧化（氧化 還原）反應的電化學-活性材料的水性溶液；
[0012] (C)至少一種離子-滲透膜，其分離第一室和第二室；和
[0013] (d)用于使水性溶液流動通過電池的裝置。
[0014]另一個實施方案設及能夠在電化學反應中操作的陰極。該陰極包含面素含氧酸的 至少一種鹽的水性溶液。
[0015]另一個實施方案設及向裝置、系統(tǒng)或車輛提供電能的方法。該方法包含將至少一 種如本文所述的液流電池電連接至裝置、系統(tǒng)或車輛的步驟。
[0016]本發(fā)明實施方案的另外的方面和/或優(yōu)點將闡述于W下描述中。
[0017] 附圖簡述
[0018] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一個方面的液流電池的簡化示意圖。
[0019] 圖2為根據(jù)本發(fā)明另一方面的液流電池的簡化示意圖。
[0020] 詳述
[0021] 本發(fā)明的一個實施方案設及含有至少一個電化學電池的液流電池。一個或多個電 化學電池包含面素含氧酸鹽和陽極。陽極可包含液體有機氨載體或金屬。通常，含氧酸化 合物遵循通式版〇3,其中X為氯、漠或艦。相應的鹽分別為氯酸鹽、漠酸鹽和艦酸鹽。
[0022] 關于氯，相應的氯酸的鹽（即氯酸鹽）經(jīng)常選自：氯酸鋼、氯酸鐘、氯酸裡、氯酸巧、 氯酸儀、氯酸鋒；和它們的組合。關于漠，相應的漠酸的鹽（即漠酸鹽）經(jīng)常選自：漠酸鋼、 漠酸鐘、漠酸裡、漠酸巧、漠酸儀、氯酸鋒；和它們的組合。關于艦，相應的鹽（即艦酸鹽）經(jīng) 常選自艦酸鐘、艦酸鋼或它們的組合。
[0023]通常，陰極和陽極分別包含通過離子滲透膜分離的陰極電解液和陽極電解液。通 常，系統(tǒng)還包括集流器和外殼。通常將陰極電解液和陽極電解液膽槽布置為與陰極和陽極 連通（例如液體連通）。另外的組件包括累和管道W及控制設備。
[0024]陰極化學基于可逆的氧化還原（還原-氧化）反應，所述氧化還原反應將氧化面 化離子狂〇3)轉(zhuǎn)化為面化物離子狂），其中X可W為C1、化或I。關于氯，該反應的標準半 電池電勢E°為1. 45V;對于漠為1. 42V;而對于艦為1. 085V。該反應允許每個面素原子中 6個電子的轉(zhuǎn)移，結(jié)合由金屬面酸鹽和面化物呈現(xiàn)出來的高溶解度，可向陰極提供相對高的 能量密度-尤其是在氯酸鹽/氯化物的情況下。（為了簡化起見，經(jīng)常將氯用于說明。然而 應理解，漠或艦可替代使用。在一些情況中，術語"面酸鹽"將用于描述氯酸鹽、漠酸鹽或艦 酸鹽中的任一）。由此，關于氯，陰極電解液通常包含帶電形式的金屬氯酸鹽和放電形式的 金屬氯化物。
[0025]根據(jù)W下討論的本發(fā)明的實施方案，用于電池的陽極電解液包含能夠可逆脫氨的 有機氨載體（通常W液體形式）和任選地溶劑W及鹽。脫氨反應可導致穩(wěn)定的脫氨化合物 或氨化和脫氨形式的化合物的混合物的形成。
[00%] 如前所述，陰極化學基于可逆的還原氧化反應，其包括將面酸鹽轉(zhuǎn)化為相應的面 化物離子。在放電下，面酸根離子（例如氯酸根）消耗6個電子和6個質(zhì)子W產(chǎn)生面化物 離子（例如氯化物）和3個水分子。在電池充電期間，反應逆向進行（關于氯酸鹽/氯化 物，E。= 1. 45V)。
[0027] (Cl〇3)+6H++6e< = =〉C1+3&0 (等式I)
[0028]Cl到Cl〇3的氧化為本領域所已知并在當前用于工業(yè)過程，例如生產(chǎn)化Cl〇3。氯酸 鋼產(chǎn)生于未分隔的電解池，始于化Cl鹽水。在受控抑下（在一些情況中為6-7,并優(yōu)選約 6. 3-6. 6)，陽極反應產(chǎn)生ClO和肥10,它們在過程溫度化0-90°C)下可快速歧化為化ClO3 和化Cl,同時在陰極側(cè)離析出氨氣化2)。
[0029]除歧化外，還通過直接電化學方式產(chǎn)生面酸鹽，例如氯酸鹽。過渡金屬鹽可用于抑 制陽極化析出并降低超電勢。氯酸鹽到氯化物離子的電化學還原為本領域所已知，并且可 通過鉆鹽催化。一般，在運類電池的陽極處出現(xiàn)的化學反應是根據(jù)W下等式的有機氨載體 的可逆脫氨：
[0030]LHn< = = 乂+nf+ne(等式 2)，
[0031] 其中L為含有一個或多個不飽和鍵，例如C=C、C= 0、C=N、C三N或一個或多 個芳族環(huán)的有機化合物。
[0032] 如前所述，將至少一種有機氨載體用于本發(fā)明的實施方案。在一些實施方案中，有 機氨載體是在脫氨時能產(chǎn)生芳族化合物或幾基化合物的一種。一些合適的有機氨載體的實 例為環(huán)控、雜環(huán)化合物、醇和它們的組合。醇的非限制性實例為2-丙醇、1，3,5-=徑基環(huán)己 燒、2, 3-下二醇、1，4-下二醇、1，4-戊二醇、1，5-戊二醇和它們的組合?？墒褂脙煞N或更多 種載體的低烙點混合物