本发明专利技术公开一种针对氧化还原流电池发明专利技术的新颖设计。与单膜双电解质氧化还原流电池作为基本结构不同，本发明专利技术的设计涉及多膜(至少一个阳离子交换膜和至少一个阴离子交换膜)多电解质(与所述负电极接触的一个电解质，与所述正电极接触的一个电解质，以及设置在所述两个膜之间的至少一个电解质)作为基本特征，诸如双膜三电解质(DMTE)配置或三膜四电解质(TMQE)配置。所述阳离子交换膜用于将所述负电解质或正电解质与所述中间电解质分离，并且所述阴离子交换膜用于将所述中间电解质与所述正电解质或负电解质分离。这种特殊设计以物理方式将所述负电解质与所述正电解质隔离，但以离子方式连接所述负电解质和所述正电解质。所述物理隔离为氧化还原对的选择提供很大自由，所述氧化还原对包括所述负电解质与所述正电解质中的阴离子-阳离子混合氧化还原对，从而使得氧化还原流电池的高电压成为可能。离子传导不仅构成设计功能，而且还大大降低所述负电解质与所述正电解质之间的整体离子交叉，进而引起高库仑效率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多膜多电解质氧化还原流电池设计 政府资助 本专利技术是在根据由美国能源部的ARPA-E项目授予的批准号DE-AR000009和 DE-AR0000346的政府资助下完成的。政府对本专利技术具有一定的权利。 相关申请的交叉引用 本申请要求2012年6月15日提交的美国临时申请号61/660, 182的优先权，并且 所述美国临时申请出于所有目的以引用方式整体并入本文。
本专利技术涉及氧化还原流电池（RFB)，所述电池的基本特征是具有多个膜（例如至 少两个膜，诸如一个阳离子交换膜和一个阴离子交换膜）和多个电解质（例如至少三个电 解质，诸如与负电极接触的一个电解质，与正电极接触的一个电解质和设置在所述至少两 个膜之间的至少一个电解质）。
技术介绍
作为电化学电池，氧化还原流电池（RFB)是一种存储电能的可充电电池，通常为 容纳在外部电解槽中的两个可溶解氧化还原对。离子选择膜（阳离子交换膜CEM或阴离子 交换膜AEM)被用来以物理方式分离但是以离子方式连接将两个氧化还原对溶解的两个电 解质。存储的外部电解质的规模可根据应用要求定大小。当需要时，可从存储槽泵送液体 电解质至流通电极，化学能在所述流通电极处转换为电能（放电）或反之亦然（充电）。与 其它常见电池系统不同，RFB在流动电解质中存储电能。因此，能量和额定功率在根本上不 挂钩：能量由电解质的浓度和体积确定，而额定功率由为堆叠形式的电池的大小和数量确 定。这个特点及其较长的循环寿命、较低的资本成本、可扩展性以及不受抽水蓄能和压缩空 气技术所面临的地理/地质限制影响的特点使得RFB成为电能存储领域中最具固有吸引力 的技术之一，尤其是在固有的间歇性需要得到处理的可再生能源（例如，风能或太阳能）发 电领域中。 因为第一个RFB概念是在大约40年前（1974年）提出的，所以已经取得重大进 步，并且一些RFB系统（例如，全钒RFB(AV-RFB))已经被商品化。然而，RFB尚未达成广泛 的市场渗透，因为许多具有挑战性的问题仍未解决。例如，当与其它电池系统进行比较时， RFB的大体低能量和低功率密度已被确认为主要缺点，这就意味着当需要特定能量/额定 功率时需要更多的电解质/电极，以至于不利地影响其成本效益。已经尝试通过选择替代 氧化还原对或使用不同电解质来增加活性物种的溶解度，这些尝试可在理论上增加能量密 度，但是这些努力不会提高功率密度。另一方面，已经努力通过使用更好的电极设计或利用 更多的活性催化剂来对改善电极性能，这可以增加功率密度但不会增加能量密度。理想且 简单的解决方案将是增加RFB的电池电压，这可以同时增加能量密度和功率密度。 图1中示出现有技术RFB系统100。负电解质30通过泵15从负电解质源20流过 负电极（阳极）31。正电解质40通过泵16从正电解质源25流过正电极（阴极）41。正电 极40和负电极30由单个离子选择膜28分离。RFB100可连接至栅极输入/输出处理器10。 电池电压简单地由两个氧化还原对确定，并且阳离子基氧化还原对（例如，具有 +1. 953V标准电极电位的Co3YCo2+氧化还原对和具有+1. 743V的Ce47Ce3+氧化还原对，这 里和下文中引用的所有电位值基于标准热力学条件计算出）通常具有更正的电极电位（对 于RFB的正电极是理想的），并且阴离子基氧化还原对（例如，具有-2. 337V的Al(OH) 47A1 和具有-I. 216V的Ζη(0Η)42_/Ζη)具有更负的电极电位（对于负电极是理想的）。当前RFB 系统中使用为阳离子交换膜（CEM)或阴离子交换膜（AEM)的单个离子选择膜理论上要求 正极侧和负极侧两者中具有相同离子类型的氧化还原对：全部为阳离子基氧化还原对（当 使用AEM时）或全部为阴离子基氧化还原对（当使用CEM时），从根本上限制其电池电压。 例如，最早的RFB系统，也就是铁-铬RFB系统（Fe/Cr-RFB，具有+1. 18V标准电池电压的 [(Fe3YFe2+)ACr3+/Cr2+)])和当前最受欢迎的RFB，也就是AV-RFB系统（具有+1. 26V的 [(VO2YVO2+)Λν3+/ν2+)])，均属于全阳离子基RFB系统。多硫化物-溴RFB系统（S/Br-RFB， 具有+1.36V的[(S/7S广V(fc37Bi0])通常为全阴离子基RFB。此外，单个离子选择膜还 要求正极侧和负极侧中具有相同或类似的（例如，当使用AEM时具有相同阳离子但不同的 阴离子，或当使用CEM时具有相同的阴离子但不同的阳离子）支持（或本底）电解质，这有 时限制了氧化还原对的选择，并且进一步缩小了电池电压的可用范围。例如，尽管锌-铈 RFB系统（Zn/Ce-RFB，[(Zn2+/ZnV(Ce47Ce3+)])可提供高达2. 50V的标准电池电压（是报 告的所有已知水RFB系统中的最高数值），但是其具有负极侧（Zn2+/Zn)中逐步形成氢的重 大问题。原因在于，使用的酸性支持电解质（两侧）为逐步形成氢的反应建立巨大的过电 位（760mV) (pH为0时H7H2的OV标准电极电位和Zn2+/Zn的-0. 760V标准电极电位）。 除此之外，单个离子选择膜的使用使得RFB系统遭受不可逆转的反离子交叉这另 一个挑战性问题，因为所有离子选择膜并不完美。所述离子选择膜允许非常低但可测量的 反离子渗透率（通常来说，CEM为1 %的阴离子交换，并且AEM为1 %至5 %的阳离子交叉）。 当反离子跨过膜时，所述反离子将立即与电解质另一侧中的氧化还原对反应（所谓的自放 电）并且再也不回头，造成库仑效率损耗、能量的永久降低和将严重影响两侧性能的两个 电解质的污染。 因此，单个离子选择性膜RFB系统需要合适的替代物。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供新颖的氧化还原流电池设计，例如多膜多电解质（MMME)氧化 还原流基电池设计，所述设计包括第一膜；第二膜；设置在所述第一膜与所述第二膜之间 的第一电解质；与所述第一膜和第一电极接触的第二电解质；以及与所述第二膜和第二电 极接触的第三电解质；并且其中所述第一电解质和所述第二电解质的至少一个阴离子物种 不同；并且所述第一电解质和所述第三电解质的至少一个阳离子物种不同；并且其中所述 第一电解质为负（或正）电极且所述第二电极为正（或负）电极；并且其中所述第一膜和 /或所述第二膜选自由阳离子交换膜和阴离子交换膜组成的组。 一方面，本专利技术提供新颖的氧化还原流电池设计，例如多膜多电解质（MMME)基电 池设计，所述设计包括第一膜；第二膜；设置在所述第一膜与所述第二膜之间的第一电解 质；与所述第一膜和第一电极接触的第二电解质；与所述第二膜和第二电极接触的第三电 解质；其中所述电池还包括设置在所述第一膜与所述第二膜之间的第三膜以及设置在所述 第一膜与所述第二膜之间的第四电解质；其中所述第三膜将所述第四电解质与所述第一电 解质分离；并且其中所述第一电解质和所述第二电解质的至少一个阴离子物种不同，且所 述第一电解质与第三或第四电解质的至少一个阳离子物种不同；并且其中所述第一电极为 负电极且所述第二电极为正电极；并且其中所述第一和第二膜为阴离子交换膜且所述第三 膜为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氧化还原流电池，所述电池包括：a)第一膜；b)第二膜；c)设置在所述第一膜与所述第二膜之间的第一电解质；d)设置在所述第一膜与第一电极之间的第二电解质；以及e)设置在所述第二膜与第二电极之间的第三电解质。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.15 US 61/660,1821. 一种氧化还原流电池，所述电池包括： a) 第一膜； b) 第二膜； c) 设置在所述第一膜与所述第二膜之间的第一电解质； d) 设置在所述第一膜与第一电极之间的第二电解质；以及 e) 设置在所述第二膜与第二电极之间的第三电解质。2. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，所述电池还包括： 设置在所述第一膜与所述第二膜之间的第三膜以及设置在所述第一膜与所述第二膜 之间的第四电解质；其中所述第三膜将所述第四电解质与所述第一电解质分离。3. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第一电解质和所述第二电解质的至 少一个阴离子物种不同，并且所述第一电解质和所述第三电解质的至少一个阳离子物种不 同。4. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质和所述第三电介质中的 至少一个包含阴离子基氧化还原对、阳离子基氧化还原对或阳离子-阴离子混合氧化还原 对。5. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质包含选自由A1 (OH) 47A1 氧化还原对、Zn (OH) 427Zn氧化还原对、S427S2 2_氧化还原对和Co (CN) 637Co (CN) 64_氧化还原 对组成的组的氧化还原对。6. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第三电解质包含选自由C〇3+/C〇 2+氧 化还原对、Fe37Fe2+氧化还原对和Ce47Ce3+氧化还原对组成的组的氧化还原对。7. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质包含A1 (OH) 47A1氧化 还原对，并且所述第三电解质包含C〇3+/C〇2+氧化还原对。8. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质包含Zn(0H)427Zn氧化 还原对，并且所述第三电解质包含Ce47Ce3+氧化还原对。9. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质包含Co(CN)637 Co (CN)广氧化还原对，并且所述第三电解质包含C〇3+/C〇2+氧化还原对。10. 如权利要求1所述的氧化还原流电池，其中所述第二电解质包含S427S广氧化还原 对，并且所述第三电解质包含Fe37Fe2+氧化还原对。11. 如权利要求2所述的氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：严玉山，古双，龚科，
申请(专利权)人：特拉华大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。