[发明专利]含有单磺化儿茶酚酸配体的配合物及其制备方法

说明书

液流电池和其它电化学系统可包含具有与金属中心结合的至少一个单磺化儿茶酚酸配体或其盐的配合物作为活性物质。单磺化儿茶酚酸配体具有式(1)的结构。更具体地，配合物可以为具有式D_gTi(L₁)(L₂)(L₃)的钛配合物，其中D为选自H、NH₄⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺或其任何组合的抗衡离子；g为3‑6；L₁、L₂和L₃为配体，其中L₁、L₂和L₃中的至少一个为单磺化儿茶酚酸配体。合成这种单磺化儿茶酚酸配体的方法可包括提供儿茶酚和至多约1.3化学计量当量的硫酸的不掺水混合物，以及在约80℃以上的温度下加热所述不掺水混合物以形成3,4‑二羟基苯磺酸或其盐。

相关申请的交叉引用

不适用。

关于美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配合物，更具体地，涉及包含可溶性配合物作为活性物质的液流电池和其他电化学系统。

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，但是它们常常受到次优的能量储存性能(例如，能量循环效率)、有限的循环寿命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。尽管未配位的(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，但是将配位化合物用于此用途通常是更可取的。如本文所用，术语“配合物”、“配位化合物”、“金属-配体络合物”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共价键的化合物。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，其中金属中心的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。

配合物(特别是含有有机配体的配合物)的难题在于配体的疏水性导致配合物通常在含水介质中具有相对差的溶解度特性。其他因素(例如堆积和范德华相互作用)也会影响溶解度特性。由于需要在电解质溶液中保持低浓度的活性物质，溶解性差会导致液流电池的次优性能。此外，活性物质的溶解性差可导致液流电池系统的各种组件内潜在的破坏性沉淀。例如，沉淀会在液流电池系统内堵塞各种流动路径、淤塞膜和/或损坏泵。由于这些类型的沉淀问题，使电解质溶液保持接近活性物质的饱和浓度以实现良好的电化学性能是特别危险的。

含有配合物的许多电解质溶液也可具有次优的导电性能。通常，配合物本身为非离子的或仅携带最少量的提高导电性的抗衡离子。此外，由于一些配合物的溶解度有限，可能难以向电解质溶液中添加足够量的外来电解质(例如非氧化还原活性物质)以将导电性提高到所需程度。具体地，向电解质溶液中添加外来电解质会降低活性物质的饱和溶解度(例如通过共离子效应)，从而减少可存储在给定体积的电解质溶液中的电荷量。