[发明专利]液流型电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用电化学方法储存电能的液流型电池。

背景技术

由于多数可再生能源，例如，风能和太阳能发电的具有波动性和不确定性，大规模的电能储存是有效利用可再生能源的必须一环。微电网应用中也急需一种经济可靠的储能技术。氧化还原液流电池(RFB)是一种很有潜力的可以使用在风力或太阳能发电站的储能技术。

船舶，潜艇等动力装置也需要高效的大规模电池能源。

在现有技术中，Skyllas-Kazacos等人描述了一种使用矾的氧化还原的液流电池，该电池有很低的阴极液与阳极液之间的交互渗透(美国专利号4786567)。Zito等人描述了一种基于铁硫电对的液流电池(美国专利号5422197)。Skyllas-Kazacos等人描述了一种使用稳定化的基于矾电解液的氧化还原的液流电池(美国专利号6,562,514)。Skyllas-Kazacos等人描述了一种在正极上使用多聚卤素-卤素以及在负极上使用V(III)/V(II)氧化还原电对的液流电池(美国专利7320844)。

矾氧还液流电池因为钒金属的价格高昂限制了该技术的大规模使用。因而急需可以减低液流电池的材料成本的技术发明。

矾氧还液流电池的美国专利号6,562,514专利报道中指出：钒电池的充电电压较高，通常大于1.5伏：酸性溶液中，充电过程中有显著的电流导致于电解水，造成能量浪费。电解水的另外的坏处是产生酸碱，造成电池溶液化学组成在使用中的变化，对稳定使用造成困难。因而需要可以减低电解水的电池材料设计的发明。

上述氧还电池还有其他工程上的问题。例如，钒氧还电池工作在强酸性溶液里，这一点容易导致电池双极板上导电部件的腐蚀，因而使用寿命短。因而需要一种电池工作液的材料设计方案，使高浓度电池工作液可以在非强酸性条件下工作，尤其是可以在碱性条件下工作。

发明内容

本发明提供了一种使用后3d过渡周期元素的液流电池，它可以解决现有技术存在的价格高昂、电池性能低下、导电部件易腐蚀等问题。所以，最理想的是用碱性或接近中性的电极反应物。

本说明的定义

液流电池：一般称为氧化还原液流电池。液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池。正负极电解液，也可以称工作液。在本发明的实例中，尽管正负极电解液的氧还反应不同，正负极电解液的初始组成可以相同也可以不同。

氧还(redox)，就是氧化还原的缩写，是指原子，离子，分子，或者络合物进行的一种改变其氧化状态或带电状态的一种电化学反应。

络合物，也叫配位化合物，配合物，错合物。为一类具有特征化学结构的化合物，由中心原子或离子(统称中心原子)和围绕它的称为配位体(简称配体)的分子或离子，完全或部分由配位键结合形成。广义上说多核多配体的配合物也属于本发明金属络合物范畴。

过渡金属在本发明中是指元素周期表中的d-block中的任意一个元素，包括第三至第十一族。这些族对应着d轨道的填充，在电子结构上从s2d1(第三族)到s2d9(第十一族)。

3d过渡金属是指在周期表上第三行的过渡金属。后3d过渡金属是指锰，铁，钴，镍，铜。(I.V.Nikolaenko，Journal of Alloys and Compounds(合金和化合物学报)，1995，225，474-479.)。

阴极，阳极：在电化学电池中，阴极指还原反应进行的电极，而阳极指氧化反应进行的电极。这样当一个电池在放电的时候，阴极具有高的电位，同时阳极具有低的电位。但是如果电池充电，则情况正好相反，即阳极具有高的电位，同时阴极具有低的电位。为了不致产生歧义，本专利对阴极，阳极的定义都约定为放电时的定义。这样本专利中阴极的定义等效于正极，而阳极的定义等效于负极。

正极，负极：这里正极是指电池中的高电位电对进行氧化还原的电极。负极是指电池中的低电位电对进行氧还的电极。本专利中正极的定义等效于阴极，而负极的定义等效于阳极。工作液：是对阴极液和阳极液的统称。前者是溶解有高电位电对的溶液，后者是溶解有低电位电对的溶液。

电流收集板：又称双极板。

逾渗阈值(Percolation threshold)：特定填充物可以从一个电极到另一个电极形成互通网路的最低浓度。粒子通常是在介质中随机分布。也可以使用工艺手段使其有序分布或局部有序分布来得到更好的控制。比如控制局部的浓度，粒子的取向，粒子间的相互作用等等。填充物可以是一种物质或多种电活性物质的混合物。