[发明专利]基于含有氯化物的支持溶液的氧化还原液流电池

说明书

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在由美国能源部颁发的DE-AC0576RL01830协议下由政府支持而获得。该政府享有本发明中的某些权利。

优先权

本发明要求2010年9月28日提交的名称为“Redox Flow Batteries Based on Supporting Solutions Containing Chloride.”的第12/892,693号美国申请的优先权。

背景技术

氧化还原液流电池(RFB)在溶于两种单独的电解质溶液中的还原型物质和氧化型物质中储存电能。阳极电解液和阴极电解液通过由多孔膜分隔的电池电极而循环。氧化还原液流电池有利于能量储存，这是因为其能够容许波动的电源、以最大倍率进行重复的充/放电循环、过度充电、过度放电，以及还因为可以在任何充电状态下开始循环。

然而，在多种氧化还原液流电池所基于的氧化还原电对中，存在许多缺点。例如，许多体系使用的氧化还原物质不稳定、高度氧化、难以还原或氧化、由溶液中沉淀、和/或产生挥发性气体。在许多情况下，现有的解决这些缺点的方法是特定的并且可包括施加限制性操作条件、使用昂贵的膜、在电极上夹杂催化剂、和/或添加外热管理装置。这些方法可显著提高整个体系的复杂性和成本。因此，需要改进的氧化还原液流电池体系。

发明内容

本发明包括氧化还原液流电池体系，其具有包含Cl^-阴离子的支持溶液（supporting solution）。在一个实施方案中，一种基于钒的氧化还原液流电池体系的特征在于，阳极电解液的支持溶液中包含V²⁺和V³⁺并且阴极电解液的支持溶液中包含V⁴⁺和V⁵⁺。所述支持溶液可包含Cl^-离子或SO₄^2-和Cl^-离子的混合物。与常规使用SO₄^2-离子相比，使用Cl^-离子可以改善全钒电池的能量密度和稳定性。

如下文所更详细描述的，既包含SO₄^2-又包含Cl^-离子的支持溶液可以通过提高钒阳离子的溶解度来进一步改善全钒电池的性能和特性。在具体的实施方案中，Cl^-与SO₄^2-的浓度比可以为1:100至100:1。在其它实施方案中，该比例可以为1:10至10:1。在其它实施方案中，该比例可以为1:3至3:1。

对于全钒电池，支持溶液中的Cl^-可以改善钒阳离子的稳定性。例如，在常规的液流氧化还原电池中，V⁵⁺在高于40°C的温度下可以趋于形成V₂O₅。然而，在支持溶液中存在Cl^-离子可导致形成VO₂Cl(H₂O)₂，其为稳定的中性物质。因此，本发明的实施方案可以在高于40°C的电池温度下操作。优选地，操作期间的电池温度为-35°C至60°C。此外，本发明的实施方案可以在无热管理装置主动调节电池温度的情况下操作。在常规的全钒液流氧化还原电池中，需要热管理装置来保持电池低于V阳离子由溶液析出的电池温度。

此外，本发明电池中的钒阳离子的浓度可以超过常规的基于SO₄^2-的电池。在一些实施方案中，钒阳离子的浓度大于0.5M。在其它实施方案中，钒阳离子的浓度大于1.7M。在其它实施方案中，钒阳离子的浓度大于2.5M。

在一个优选的实施方案中，操作期间内充电条件的状态为高于0%且低于100%。换言之，优选不将电池操作至完全充电或完全放电的状态。