[发明专利]基于有机小分子的液流电池

说明书

本发明提供一种基于新的化学物质的电化学电池，用于大规模（例如电网规模）电能储存的液流电池。通过使所谓醌变成氢醌的有机小分子质子化，电能以化学方式储存在电化学电极。通过在另一个电极的补充电化学反应提供质子。使这些反应逆转以释放电能。基于该构思的液流电池可作为封闭系统操作。液流电池结构相对于固体电极电池对于大规模储能具有放大优势。

本申请是申请日为2013年9月26日，申请号为201380061081.X (PCT/US2013/062057)，发明名称为“基于有机小分子的液流电池”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月26日提交的美国临时申请号61/705,845、2013年5月14日提交的61/823,258和2013年6月24日提交的61/838,589的优先权权益，其中每个申请通过引用结合到本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国能源部-能源-先导研究项目处(Advanced Research ProjectsAgency - Energy - U.S. Department of Energy)的基金号0670-4322的政府支持下作出的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明提供一种基于新的化学物质的电化学电池，用于大规模（例如电网规模）电能储存的液流电池。

背景技术

间歇性可再生电力来源，例如风能和光伏(PV)，不能代替我们现有的基于化石燃料发电的显著部分，除非间歇问题得以解决。可再生电力的波动通常由燃烧天然气的“峰设备(peaker)”电厂作后备。在发电场所或附近的廉价可靠的储能可以使可再生能源可调度(例如需求跟踪)，并允许燃气峰设备代替基负荷煤。其还可允许充分利用来自发电场所的电线的输电能力，允许供应能力扩展同时延迟对输电能力扩展的需求。

液流电池的优势使它们得到关于电网规模电储存的越来越多的关注[1]：因为将全部反应物和产物储存在电化学转换装置外的罐中，可使所述装置自身对于所需功率最优化，同时通过反应物的质量和储罐的尺寸独立确定所需能量。这可使每kWh的储存成本降低，这是电网规模储存的一个最有挑战性的需求。相比之下，在固体电极电池中，能量/功率比(即峰功率放电时间)不按比例，而且不足以使间歇性可再生电源可调度。大多数固体电极电池具有1小时的峰功率放电时间，而要使PV和风能可调度分别需要~15和~50小时[2]。

对于电网规模电能储存普遍认可的技术选项概括于表1。利用锌-溴混合液流电池的商业活动说明液体溴和氢溴酸作为反应物的技术可行性。然而，由于其特性，该设计（包括在电化学转换装置内的Zn镀覆）不允许像液流电池那样的能量放大；其还造成枝晶短路风险[1]。可以证明的是，开发得最好的液流电池技术是钒氧化还原流量电池(VRB)和钠-硫电池(NaSB)。每kW的成本是相当的，而VRB以每kWh成本计显著更昂贵，部分地由于钒的高价，这对VRB的每kWh最终成本设定了下限[3]。基于最近的V₂O₅成本，钒自身成本约$160/kWh[4]。VRB确实得益于更长的循环寿命，能够循环超过10,000次，而NaSB通常受限于约4,500次循环[3]。对于VRB，每kW成本有可能变得更低，因为最近在VRB电池设计方面的改进导致显著更高的功率密度和电流密度，其值分别为0.55W/cm²和0.9A/cm² [5]，但这些无助于降低每kWh成本的最终下限。据我们所知，这些值代表迄今为止在文献中报导的VRB达到的最佳性能。NaSB必须在300℃以上操作，以保持反应物熔融，这对其操作费用设定下限。在日本，超过100MW的NaSB已经安装在电网上，但这是由于政府法令而不是市场力量。NaSB具有~7小时的最长持续时间(能量/功率)。VRB是积极开发的主题，而NaSB代表静态目标。还有对氢卤酸再生电解为二卤和二氢的近期工作[6-9]，其中卤素为氯或溴。由于化学反应物的更低成本，这些系统具有比VRB更低的每kWh存储成本的潜力。

发明内容