[发明专利]用于氧化还原液流电池性能恢复的方法和系统

说明书

一种用于氧化还原液流电池的方法可以包括中断氧化还原液流电池的循环，包括：将氧化还原液流电池充电至阈值充电状态，从氧化还原液流电池中排出正极电解质和负极电解质，使清洗溶液循环通过氧化还原液流电池，以及将正极电解质和负极电解质返回到氧化还原液流电池；以及恢复氧化还原液流电池的循环。以这样的方式，可以减少氧化还原液流电池系统的污染，从而延长氧化还原液流电池系统的寿命并提高其性能。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年11月5日提交的名称为“用于氧化还原液流电池性能恢复的方法和系统(Method and System for Redox Flow Battery Performance Recovery)”的美国临时申请号62/931,117的优先权。上述申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及混合液流电池系统和组装混合液流电池系统的方法。

背景技术

氧化还原(redox)液流电池是以化学的形式存储能量的电化学存储设备。所存储的化学能通过自发的逆向氧化还原反应转化为电的形式。为了恢复所分配的化学能，施加电流以诱发逆向氧化还原反应。混合液流电池将电活性材料中的一种或多种作为固体层沉积在电极上。混合液流电池包括这样的化学物质，该化学物质在整个充电反应中的某一点在基板上形成固体沉淀板，该沉淀板也可以在整个放电反应中溶解。在充电反应期间，化学物质可能在基板的表面上固化，从而在电极表面附近形成板。这种化学物质通常是金属化合物。在混合液流电池系统中，由氧化还原电池存储的能量可能受到充电期间镀覆的金属的量的限制并且因此可能由镀覆系统的效率以及用于镀覆的可用体积和表面积决定。

氧化还原液流电池中的正电极和负电极参与存储和释放化学能的电化学反应。因此，电极可以被视为电池中的重要部件，因为电极影响电池性能、容量、效率和总成本。

混合氧化还原液流电池的一个示例是全铁氧化还原液流电池(IFB)。IFB使用铁作为用于反应的电解质，包括发生镀覆的负电极(本文中也称为镀覆电极)和发生氧化还原反应的正电极(本文中也称为氧化还原电极)。IFB电池的性能可以被分解为其镀覆电极性能(负电极)、氧化还原电极性能(正电极)和欧姆电阻损耗。在镀覆电极上，亚铁(Fe²⁺)离子在充电期间获得电子并作为固体铁镀覆在基板上，如下面的等式(1)所示，并且固体铁在放电期间作为亚铁离子溶解并释放两个电子。铁镀覆反应的平衡电位是-0.44V。在氧化还原电极上，亚铁与三价铁(Fe³⁺)离子之间的氧化还原反应在充电和放电期间发生。在正电极上，两个Fe²⁺离子在充电期间失去两个电子以形成Fe³⁺离子，如下面的等式(2)所示，并且两个Fe³⁺离子在放电期间获得两个电子以形成Fe²⁺。亚铁离子和三价铁离子之间的平衡电位为+0.77V。因此，IFB氧化还原液流电池中的反应是可逆的。

在IFB的负电极上，亚铁还原反应分别与两个副反应竞争：氢质子H⁺的还原(反应(3))，其中两个氢质子各自接受单个电子以形成氢气H₂；以及所沉积的铁金属的腐蚀以分别产生亚铁离子Fe²⁺(反应(4))：

这两个副反应可能会降低整体电池效率，因为转移到负电极的电子可能会被氢产生而不是铁镀覆所消耗。进一步，这些副反应可能导致不平衡的电解质，这又可能导致随着时间的推移的电池容量损失。正电极处的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应在动力学上是快速的。因此，IFB电池性能可能受到其负电极性能的限制，这是镀覆动力学、镀覆电阻和镀覆质量运输损失的结果。进一步，IFB电池容量取决于负电极可以存储多少固体铁。此外，IFB电池效率与镀覆电极上的副反应(诸如副反应(3)和(4))的程度有关。