[发明专利]高性能液流电池组

说明书

相关申请案的交叉引用

本申请案主张在2010年3月30日提交的美国临时申请案第61/319,248号和在2010年4月9日提交的美国临时申请案第61/322,780号的权益，所述美国临时申请案以引用方式全部并入本文。

技术领域

本发明涉及高性能电化学电池和电池组，并且更特定来说涉及液流电池组。

背景技术

能量经济的“绿色化”、可再生能源（诸如，风能和太阳能）不断增长的需求和使用、以及（例如）插入式混合动力车辆和全电力车辆的预期激增日益使配电电网紧张。高容量电能存储技术（诸如，抽送水电技术）可在电网负荷平衡、自产生时间至使用高峰期的时移可再生能源中起着重要作用，然而，地理位置和成本限制所述高容量电能存储技术的使用，尤其是在地区水平上的使用。

现有的高容量电池组技术（例如，液流电池组）对于广泛采用来说过于昂贵，因为输送的所得能量和/或功率的有效成本大大高于市场价格。因此存在对于低成本、高容量、高效率和高性能电池组技术的实质上未满足的需要。

发明内容

本发明的实施例提供高性能液流电池组设备和用于增强、充电、操作和使用液流电池组的方法。本发明的各种实施例提供的高电流密度充电率和放电率处于近似70mA/cm²至400mA/cm²范围内，并且更特定来说处于100mA/cm²至250mA/cm²范围内。

本发明的高性能、碱性锌/铁氰化亚铁可充电（“ZnFe”）液流电池组的实施例是基于对于现有技术的许多改善。这些实施例也适用于结合金属电镀来存储能量的其它液流电池组（诸如：ZnHBr；ZnBr；CeZn；和ZnCl）。

第一，电池组设计具有电池堆叠，所述电池堆叠包含至少一个正的半电池中的低电阻正极和至少一个负的半电池中的低电阻负极，其中选择正极电阻和负极电阻以获得整个电池堆叠区域上的均匀高电流密度，即，使电极上的电阻足够低以确保整个电极上较小的电压变化，因此均匀电流流出电极之外并在整个电池堆叠上流动。

第二，以高水平混合（本文也称为“高速率混合”和“高度混合”）流经接近沉积表面的Zn沉积区域中的至少一个负的半电池的电解液流（例如，ZnFe电池组中的锌物种），其中接近于沉积表面的电解液具有足够高的锌浓度，以在沉积表面上获得维持均匀高电流密度的沉积速率。负的半电池中电解液流和液流的混合经设计以提供足以支持高电流密度的传质系数并提供（例如）锌在电池的沉积表面上的实质上均匀沉积。此外，一些实施例已将液流设计成以小于极限电流的电流提供锌沉积，其中所沉积的锌具有密集、附着的非枝状形态。

第三，锌电解液具有高浓度，并且在一些实施例中，锌电解液的浓度大于平衡饱和浓度，即，锌电解液的Zn离子超饱和。本发明的不同实施例组合这些改善中的一或更多个改善。

高度混合流经电池的电解液流可能是由于平行板通道中较高的流体速度造成的。然而，液流中的混合可由诸如以下的结构诱导：导电网孔和非导电网孔；筛网；带；泡沫结构；圆锥体、圆柱体或角锥体的阵列；和线或管子的其它布置，上述结构可单独使用或与平坦电极表面组合使用。这类结构的使用可允许具有层流或具有湍流的电解液以较高的或较低的流体速度高度混合。此外，用于使湍流平静的结构可包括在紧接在电池之后的电解液流体管路中。

根据本发明的实施例，用于操作液流电池组的方法可包括使以层流态或湍流态高度混合的电解液流经接近沉积表面的Zn沉积区域中的至少一个负的半电池。此外，一些实施例包括沉积具有密集、附着的非枝状形态的Zn。可在电池组电池的充电和/或放电期间利用高度混合液流。

附图说明

在结合附图审阅本发明的特定实施例的以下描述之后，本领域的一般技术人员将更加明白本发明的这些和其它方面和特征，其中：

图1为锌氧化还原液流电池组的示意图；

图2为根据本发明的一些实施例的锌氧化还原液流电池组的示意图；

图3为根据本发明的一些实施例的液流电池的示意性透视图；

图4为根据本发明的一些实施例，含在框架内的图3的电池的示意性透视图；

图5为根据本发明的一些实施例，氧化还原液流电池组的电池配置的第一实例的示意性横截面图；

图6为根据本发明的一些实施例，氧化还原液流电池组的电池配置的第二实例的示意性横截面图；