[发明专利]电解质溶液的基于电化学的纯化及有关的系统和方法

说明书

用于从具有三种或更多种价态的电解质溶液中除去杂质的方法和系统。在某些实施方案中，方法包括用电化学方法还原电解质溶液以将其价态降低至造成杂质从电解质溶液中沉淀出的水平，以及然后将沉淀物从电解质溶液中过滤出。在其中期望电解质溶液处于高于沉淀价态的价态的实施方案中，本公开内容的方法包括将纯化的电解质溶液氧化至目标价。

相关申请数据

本申请要求于2016年10月7日提交的且题为“REDUCTION-BASED PURIFICATION OFELECTROLYTE SOLUTIONS AND RELATED SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请序号62/405,576的优先权的益处，该临时专利申请通过引用以其整体并入本文。

发明领域

本发明涉及电解质溶液的纯化和产生。更具体地，本发明涉及电解质溶液的基于电化学的纯化，以及有关的系统和方法。

背景

用于电池组(battery)和其他用途的电解质通常需要不含对这些用途有害的杂质。例如，在氧化还原液流电池组(redox flow battery)的情况下，使用的每种电解质需要不含污染(foul)电池组的部件的杂质。在特定的实例中，钒氧化还原液流电池组(VRFB)是将电能转换成化学能，并然后当存在需要时将该化学能释放为电力的系统。此类型的电池组通常与太阳能发电场(solar farm)和/或风力发电场(wind farm)配对，以帮助消除与这些可再生能源相关的发电间歇性。

VRFB包括在化学能和电能之间进行转化的电化学电池(electrochemical cell)。电化学电池包括正电极、电解质隔离器(通常为质子交换膜)和负电极。两种单独的钒溶液被储存在单独的罐中-一个罐包含进料至负电极的负电解质溶液(negative electrolytesolution)，而另一个罐包含进料至正电极的正电解质溶液(positive electrolytesolution)。在正常运行期间，负电解质溶液包含钒(II)离子和钒(III)离子，并且正电解质溶液包含钒(IV)离子和钒(V)离子。在充电期间，在负电解质溶液中在负电极处，钒(III)离子被还原成钒(II)离子，而在正电解质溶液中在正电极处，钒(IV)离子被氧化成钒(V)离子；在放电期间，相反情况发生。

当调试(commission)新的VRFB时，约3.5的平均价的平衡电解质溶液，即具有相等浓度的钒(III)离子和钒(IV)离子的电解质溶液，被转移到负电解质罐和正电解质罐两者中。电池组被缓慢地充电，直到负极电解质溶液和正极电解质溶液分别处于期望的钒(II)/(III)离子和钒(IV)/(V)离子的比率。在此初始充电之后，负电解质溶液中存在的某些杂质通常作为固体金属相沉淀物被沉淀出。这些杂质包括但不限于As和Ge。这些沉淀物对电化学电池有害，因为它们堵塞负电极并负面地影响电池组性能。

大多数的用于制备基于钒的电解质溶液的常规的方法包括以下两种方法中的一种：

-方法1：在过量酸中以3:1摩尔比混合V₂O₃和V₂O₅，以产生3.5平均价的溶液。

-方法2：使用VRFB电化学电池，其中负电极被用于将基于钒的电解质溶液还原至3.5价，并且正电极氧化基于钒的电解质溶液，该基于钒的电解质溶液使用化学还原剂来周期性地或连续地还原。需要此类型的方法，因为大多数有机还原剂仅能够将钒(V)离子还原成钒(IV)离子(即大多数有机还原剂不能将钒(IV)离子化学地还原至更低价)。

这些常规的方法都不能充分地除去经常污染VRFB的电化学电池的杂质。相反，两种方法均需要钒原料具有所选择的杂质的低杂质含量，以用于合适的功能并抑制VRFB系统中的污染。因此，许多纯化方法聚焦于钒原料的纯化。虽然这些方法中的许多是有效的，但它们消耗许多化学品并且最终产品需要高的成本附加费(cost premium)。

公开内容的概述