[发明专利]具有双极性法拉第膜的电化学电池

说明书

与相关申请的交叉引用

本专利申请要求2015年2月27日提交的美国临时专利申请号62/121,597的利益，其公开内容整体通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及用于动态能量储存的伽凡尼电化学电池，更具体来说涉及以高电流运行的这些伽凡尼电池。

背景技术

在美国，发电依靠各种不同的能源例如化石、核、日光、风和水电能源。随着对化石燃料供应减少的担忧，能量供应链的极大挑战之一是平衡供应与需求。具体来说，管理可再生能源例如风能或太阳能的固有的间歇性，是使它们能够被大规模采用的关键。所述问题的一部分在于电能不能以高效且成本效益高的方式储存。已开发了在合金/脱合金反应中使用液体金属的电化学电池，但它们通常在约1伏特或更低的低电压下运行。能够在保持使用低成本材料的同时获得更高电压的电池，将显著降低这些装置的成本并进一步提高它们的效率。

离子选择性膜已在电化学电池系统中被用作隔膜。例如，在传统的斑马(zebra)(Na/NiCl₂)电池组中，可以将离子选择性Na+传导性β"-氧化铝陶瓷膜插入到电极之间，以防止Na与电解质的反应以及Ni²⁺在与Na负极直接接触后的不可逆的反向反应。在充电期间，固体Ni在正极处被氧化成Ni²⁺离子，而Na⁺在负极处被还原成液体Na。理想情况下，离子选择性膜应该尽可能薄，使得它的电阻尽可能低，以便允许最大电流流过。然而，薄膜难以制造得没有针孔，并且薄膜缺乏结构完整性并易于发生机械故障。因此，这些类型的膜具有操作和制造问题。例如，在斑马(Na/NiCl₂)电池组中，β"-氧化铝陶瓷膜的缺点是：(1)所述膜需要包括许多步骤的复杂制造工艺、高温烧结和受控环境才能实现β"晶体结构的复杂性；(2)所述膜机械易损，并且例如由于在反复融化下的故障而限制了电池组寿命；(3)所述薄的陶瓷膜是易碎的并且在较大规模下易损性提高；(4)所述膜由于其有限的导电性而要求最低运行温度例如>200℃才能实用；以及(5)所述膜限于Na⁺流动离子。

发明概述

在本发明的第一实施方式中，一种电化学电池包括两个电极，第一电极具有第一活性金属并且第二电极具有第二活性金属，金属或类金属，以及配置在所述第一与第二电极之间的液体电解质。所述电解质包括所述第一活性金属的盐和所述第二活性金属的盐。所述电化学电池还包括配置在所述第一与第二电极之间，具有面朝所述负极的第一表面和面朝所述正极的第二表面的双极性法拉第膜。所述双极性法拉第膜被构造成允许所述第一活性金属的阳离子通过并阻碍所述第二活性金属的阳离子从所述正极转移到所述负极，并且至少部分由电子电导率足以在所述第二表面处驱动与所述正极的阳离子的法拉第反应的材料形成。

根据本发明的另一个实施方式，一种与外电路交换电能的方法包括提供例如上面所公开的电化学电池，将所述电化学电池连接到所述外电路，以及运行所述外电路以便驱动电子在所述负极与正极之间的转移。