[发明专利]使用四氯化钛或氯氧化钛在水性溶液中制备儿茶酚酸钛络合物

说明书

相关申请的交叉引用

本发明根据35U.S.C.§119要求于2015年3月16日提交的第62/133,610号美国临时专利申请的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明一般性地涉及能量存储，更具体地，涉及液流电池以及制备用于液流电池的活性物质的方法。

背景技术

诸如电池、超级电容器等的电化学能量存储系统已被广泛用于大规模能量存储应用。为了这个目的，已经考虑了包括液流电池在内的各种电池设计。与其他类型的电化学能量存储系统相比，液流电池可能是有利的，特别是对于大规模应用而言是有利的，因为它们能够将功率密度和能量密度的参数彼此分离。

液流电池通常包括在相应的电解质溶液中的负极活性物质和正极活性物质，电解质溶液在包含负极和正极的电化学电池中分别流过膜或隔膜的相对侧。液流电池通过发生在两个半电池内的活性物质的电化学反应进行充电或放电。如本文所用，术语“活性物质”、“电活性物质”、“氧化还原活性物质”或其变体将同义地指在液流电池或类似电化学能量存储系统的操作期间(即在充电或放电期间)经历氧化态变化的物质。虽然液流电池在大规模储能应用方面很有前途，但是它们常常受到能量储存性能(例如，往返能源效率)比预期差、循环寿命有限以及其他因素的困扰。尽管进行了大量的研究工作，但尚未开发出商业上可行的液流电池技术。

金属基活性物质通常可适用于液流电池和其他电化学能量存储系统中。尽管未连接的(non-ligated)金属离子(例如，氧化还原活性金属的溶解盐)可用作活性物质，但是通常将配位化合物用于此用途是更可取的。如本文所用，术语“配合物”、“配位化合物”、“金属-配体络合物”及其相关变体将同义地指具有在金属中心和供体配体之间形成的至少一个配价键(dative bond)的化合物。在电解质溶液中金属中心可以在氧化形式和还原形式之间循环，其中氧化和还原形式表示完全充电或完全放电的状态，这取决于其中存在配位化合物的特定半电池。

由于其良好的电化学性质，钛配合物尤其可用作液流电池内的至少一种活性物质，尤其是作为与液流电池的负极接触的活性物质。含有至少一种儿茶酚酸配体(catecholate ligands)的钛配合物(即，儿茶酚酸钛络合物(titanium catecholate complex))尤其可用于此用途。从各种商业化的角度来看，使用低成本材料进行儿茶酚酸钛络合物生产的水性生产方法是非常可取的。用于制备儿茶酚酸钛络合物的常规途径通常包括使用各种反应性钛(IV)源，例如硫酸氧钛、四(异丙醇)钛和四氯化钛。前两种化合物相当昂贵，因此并不适于商业规模的操作。相比之下，四氯化钛相对便宜，但是该物质的高的水反应性通常阻止其作为原料用于形成钛配合物的水性方法。特别地，四氯化钛在典型的水性条件下与水反应以形成氯化氢和二氧化钛，其中后者被认为不适合用作形成钛配合物的前体。

鉴于上述内容，使用低成本的起始材料形成钛配合物，特别是儿茶酚酸钛络合物的水性方法在本领域中是非常可取的。本发明的内容满足上述需要并且还提供相关优点。

发明内容

在一些实施方案中，本发明提供了制备儿茶酚酸钛络合物的方法。该方法包括：在水性溶液中使一种或多种儿茶酚酸配体与氯氧化钛合并；以及在水性溶液中使一种或多种儿茶酚酸配体与氯氧化钛反应以形成儿茶酚酸钛络合物。

在其他各种实施方案中，本发明提供了含有可缺乏金属抗衡离子(counterion)的儿茶酚酸钛络合物的组合物。组合物包括具有式H_gTi(L₁)(L₂)(L₃)的儿茶酚酸钛络合物。L₁、L₂和L₃为配体，g为1或2。L₁、L₂和L₃中的至少一个为儿茶酚酸配体或取代的儿茶酚酸配体。

在其他各种实施方案中，本发明提供了包含电解质溶液的液流电池，该电解质溶液含有可缺乏金属抗衡离子的儿茶酚酸钛络合物。

前面已经相当广泛地概述了本发明的特征，以便可以更好地理解下面的详细描述。下面将描述本发明的其他特征和优点。这些优点和特征以及其他优点和特征将因以下描述变得更加明显。

附图说明