[发明专利]具有在相反面上亲水性不同的电极的液流电池及其生产方法

说明书

电化学电池，诸如存在于液流电池中的那些电化学电池，可以包括至少一个电极，所述电极的一个面比另一面更亲水。这种电极可以通过将对流流动的电解液循环导向电化学电池中的隔膜而减少寄生反应的发生率。包含电化学电池的液流电池可以包括：含有第一电极的第一半电池、含有第二电极的第二半电池和设置在所述第一半电池和第二半电池之间的隔膜，其中所述第一电极和第二电极各自具有彼此方向相反的第一面和第二面。所述第一电极和第二电极两者的第一面被设置为靠近所述隔膜。所述第一电极和第二电极中的至少一个的第一面比所述第二面更亲水。

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本公开主要涉及储能，且更具体地涉及用于改善液流电池和相关电化学系统的性能的修改和技术。

背景技术

诸如电池组、超级电容等的电化学储能系统已经被广泛地提议用于大规模储能应用。已经为此目的考虑了包括液流电池在内的多种电池组设计。与其它类型电化学储能系统相比，液流电池可以是有利的，特别是对于大规模应用而言，这是因为它们将功率密度参数和能量密度参数彼此解耦的能力。

液流电池通常在相应的电解质溶液中包括负极和正极活性材料，所述电解质溶液分别流过在包含负电极和正电极的电化学电池中的膜或隔膜的相对面。在这里，术语“膜”和“隔膜”是同义词。液流电池通过在所述两个半电池内部发生的活性材料的电化学反应进行充电或放电。如本文中使用的，术语“活性材料”、“电活性材料”、“氧化还原活性材料”或其变体是同义词，是指在液流电池或类似电化学储能系统的工作期间(即，充电或放电过程中)经历氧化状态改变的材料。

尽管液流电池具有用于大规模储能应用的重要前景，但是过去它们受困于次优的储能性能(例如，往返能量效率)和有限的循环寿命，以及其它因素。导致次优性能的某些因素在下文进行讨论。尽管付出了显著的研究努力，但仍未开发出商业可行的液流电池技术。

活性材料在液流电池中的平衡的氧化和还原是所期望的电化学反应，因为它们有助于电池组在充电和放电循环过程中的正常工作。这种反应在这里可称为“生产性反应”。

除了期望的生产性反应之外，在液流电池的一个或者两个半电池以及相关的电化学系统内还可以发生不期望的寄生反应。如本文中使用的，术语“寄生反应”是指和生产性反应一起发生的任何副电化学反应。寄生反应可经常涉及电解质溶液中活性材料之外的组分。使活性材料不能够经历可逆的氧化和还原的活性材料的电化学反应在性质上也可被认为是寄生反应。可通常发生在包含含水电解质溶液的电化学电池中的寄生反应是氢气的析出和/或被氧所氧化。例如，氢析出可至少部分地使电化学电池的负极电解质溶液放电。相关的寄生反应也可以发生在非水电解质溶液中。

与寄生反应相关的放电可以降低液流电池的工作效率和其它性能参数。另外，寄生反应可以改变电解质溶液的pH，这在一些情况中可以使其中的活性材料去稳定化。在寄生反应与在一个半电池中相比优先发生在另一个半电池中的情况中，可在负极电解质溶液和正电解质溶液之间产生荷电状态的不平衡。术语“荷电状态”(SOC)是一个被充分理解的电化学储能术语，在这里是指在电化学系统的给定半电池内在电极处的被还原物质和被氧化物质的相对量。液流电池的电解质溶液之间的荷电不平衡可引起在一个或者两个电极处的传质限制，由此降低往返工作效率。因为荷电不平衡随着每个完成的充电和放电循环可以是加和性的，所以可能由于寄生反应而导致液流电池的性能越来越减弱。

可以对一种电解质溶液或两种电解质溶液进行荷电再平衡，来对抗寄生反应的影响。尽管已有多种荷电再平衡技术，但是它们的实施可能是昂贵且耗时的。确定电解质溶液中被氧化和被还原的活性材料物类的真实浓度本身可能经常是困难的，由此为荷电再平衡工艺增加了另一个困难。尽管在付出足够努力的情况下经常可以实现电解质溶液的荷电再平衡，但是要解决伴随的pH改变常常更困难得多。