[发明专利]用金属储存电能的电化学系统

说明书

优先权要求

此申请要求的优先权是2013年8月26日提交的美国临时专利申请，申请号61/870104。

技术领域

本发明有关于储存电能的电化学技术，特别有关于金属空气电池，燃料电池和流体电池。

背景技术

电能储存是有效利用像太阳能和风能等可再生能源的关键技术。基于储存时间，可以有两大类电能储存的应用：从小于一秒到一小时左右的短时间储能，和从几小时到几十，上百小时的长时间储能。短时间的储能一般用于电力支撑以保证电力的可靠性和质量，这类储能技术已经有一些早期的商业应用。长时间储能可以低成本地把产电和用电的时间分开，目前除了抽水储能外还没有商业上可行的长时间储能技术，但是，抽水储能受地理和环境的限制。

金属空气特别是锌空气电化学系统一直被认为是有希望用来低成本地进行大规模储能的技术，过去一直不断有人在尝试开发基于锌空气化学原理的储能系统，包括可充电电池，机械法和水力法可再生燃料电池(见回顾综述文章：X.G.Zhang的“锌电池电极”；S.Smedley和X.G.Zhang的“锌-空气燃料电池：水力法可再生”,in Encyclopedia of Electrochemical Power Sources,Eds.Jungen Garche etc.,Amsterdam:Elsevier,2009)

可充电的锌空气电池有很大的能量密度，其主要的技术问题是在充放电过程中双功能空气电极的快速退化和锌阳极形貌的有害变化。一直有很多人在努力寻求解决这些问题的办法，从美国专利申请中可以看到一些最近的发展，比如US2010/0021303和US2010/0316935。

在锌空气燃料电池中，锌阳极材料像一种燃料，而且可以通过电沉积产生和再生成。锌材料通过电沉积生成起储电功能，沉积的金属材料和电解液一起输入燃料电池内，通过放电实现释放储存在金属锌中的能量。可再生锌燃料电池是经济地长时间储能的理想技术，有三个基本原因：1)电力的产生和电能的存放是分开的，因此能量可以独立地，低成本地储存，2)锌有高的能量密度，是在可以从水相电解液里还原的常用金属中最高的，3)锌很便宜，是市场上最便宜的金属之一。

可再生锌空气电池系统和可充电电池相比有许多的优点，如可以独立地放大和缩小功率和容量，和可以连续进行放电，不需停下来充电。从专利文献里可以了解到开发锌燃料电池技术的许多努力，如美国专利5434020,5849427,6,706,433和美国专利申请US2010/330437。可再生锌燃料电池的主要问题是在输送锌材料进出电池过程中出现堵塞，和锌材料在每个电池内及在不同电池之间的不均匀分布。要实现可靠和高效功能的锌燃料电池技术，必须解决这些技术问题。

金属-氧化还原对液流电池，特别是锌-氧化还原对液流电池被认为是有潜力进行低成本储能的另一技术系统，溴，铈和铁的氧化还原对已被用来开发锌-氧化还原对流通电池技术，见回顾文献：流体电池研究和开发(M.Skyllas-Kazacos et al in Journal of The Electrochemical Society,Vol.158(8)R55-R79，2011)，美国专利US 2013/0252062 A1,US8293390,和US5607788。类似地，铁-氧化还原对液流电池也有人尝试，见美国专利申请US20140065460 A1。但是，已有的金属-还原对液流电池技术的容量受金属阳极厚度的限制。如果金属液流电池的容量不受阳极厚度的限制，电能量将可以独立于电力变化，会有明显的优势。

发明内容

本发明提供用以将电储存在金属中的电化学系统，设备和方法。根据本发明的一个基本方面，这个电化学电池包含一个进行金属沉积的充电装置，一个进行金属溶解的放电装置和存放金属的方法。此电化学系统进一步包括充电装置，放电装置，电解液和金属材料的安放方式。充电和放电装置可以通过若干种不同的方式安放，实现涉及储能的各种充电和放电功能。

根据本发明的另一个基本方面，是提供一种储电和产电的方法，包括用充电装置电沉积产生金属材料，用以存储金属材料的设施，和用放电装置溶解金属材料产生电。本方法进一步包括传输或移动金属材料和电解液的方式，和存放充电装置，放电装置，电解液和金属材料的方式。