具有含Cl‑离子的支持溶液的氧化还原液流电池体系可以表现出改善的性能和特性。此外，具有混合的SO42‑和Cl‑离子的支持溶液可以提高能量密度并改善阴极电解液和/或阳极电解液中的一种或多种离子物质的稳定性和溶解度。根据一个实例，基于钒的氧化还原液流电池体系的特征在于，阳极电解液的支持溶液中具有V2+和V3+并且阴极电解液的支持溶液中具有V4+和V5+。所述支持溶液可以包含Cl‑离子或SO42‑和Cl‑离子的混合物。
【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2011年6月8日、申请号为201180046489.0、专利技术名称为“基于含有氯化物的支持溶液的氧化还原液流电池”的专利技术专利申请的分案申请。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在由美国能源部颁发的DE-AC0576RL01830协议下由政府支持而获得。该政府享有本专利技术中的某些权利。优先权本专利技术要求2010年9月28日提交的名称为“Redox Flow Batteries Based on Supporting Solutions Containing Chloride.”的第12/892,693号美国申请的优先权。
技术介绍
氧化还原液流电池(RFB)在溶于两种单独的电解质溶液中的还原型物质和氧化型物质中储存电能。阳极电解液和阴极电解液通过由多孔膜分隔的电池电极而循环。氧化还原液流电池有利于能量储存，这是因为其能够容许波动的电源、以最大倍率进行重复的充/放电循环、过度充电、过度放电，以及还因为可以在任何充电状态下开始循环。然而，在多种氧化还原液流电池所基于的氧化还原电对中，存在许多缺点。例如，许多体系使用的氧化还原物质不稳定、高度氧化、难以还原或氧化、由溶液中沉淀、和/或产生挥发性气体。在许多情况下，现有的解决这些缺点的方法是特定的并且可包括施加限制性操作条件、使用昂贵的膜、在电极上夹杂催化剂、和/或添加外热管理装置。这些方法可显著提高整个体系的复杂性和成本。因此，需要改进的氧化还原液流电池体系。
技术实现思路
本专利技术包括氧化还原液流电池体系，其具有包含Cl-阴离子的支持溶液(supporting solution)。在一个实施方案中，一种基于钒的氧化还原液流电池体系的特征在于，阳极电解液的支持溶液中包含V2+和V3+并且阴极电解液的支持溶液中包含V4+和V5+。所述支持溶液可包含Cl-离子或SO42-和Cl-离子的混合物。与常规使用SO42-离子相比，使用Cl-离子可以改善全钒电池的能量密度和稳定性。如下文所更详细描述的，既包含SO42-又包含Cl-离子的支持溶液可以通过提高钒阳离子的溶解度来进一步改善全钒电池的性能和特性。在具体的实施方案中，Cl-与SO42-的浓度比可以为1∶100至100∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶10至10∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶3至3∶1。对于全钒电池，支持溶液中的Cl-可以改善钒阳离子的稳定性。例如，在常规的液流氧化还原电池中，V5+在高于40℃的温度下可以趋于形成V2O5。然而，在支持溶液中存在Cl-离子可导致形成VO2Cl(H2O)2，其为稳定的中性物质。因此，本专利技术的实施方案可以在高于40℃的电池温度下操作。优选地，操作期间的电池温度为-35℃至60℃。此外，本专利技术的实施方案可以在无热管理装置主动调节电池温度的情况下操作。在常规的全钒液流氧化还原电池中，需要热管理装置来保持电池低于V阳离子由溶液析出的电池温度。此外，本专利技术电池中的钒阳离子的浓度可以超过常规的基于SO42-的电池。在一些实施方案中，钒阳离子的浓度大于0.5M。在其它实施方案中，钒阳离子的浓度大于1.7M。在其它实施方案中，钒阳离子的浓度大于2.5M。在一个优选的实施方案中，操作期间内充电条件的状态为高于0％且低于100％。换言之，优选不将电池操作至完全充电或完全放电的状态。在本专利技术的另一个实施方案中，具有包含Cl-离子的支持溶液的氧化还原液流电池包含：阳极电解液，其在支持溶液中包含V2+和V3+；阴极电解液，其在支持溶液中包含Fe2+和Fe3+；以及分隔所述阳极电解液和阴极电解液的膜。所述阳极电解液和阴极电解液可分别包含V阳离子和Fe阳离子，或者所述阳极电解液和阴极电解液可各自均包含V阳离子和Fe阳离子的混合物。在某些情况中，Fe阳离子和/或V阳离子的浓度可以大于0.5M。与某些高度氧化的氧化还原电对相比，Fe和V电对的侵蚀性更小。因此，昂贵的抗氧化膜如基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物不是必需的。基于成本考虑，可优选其它更廉价的选择。因此，某些Fe/V电池体系的实施方案包括烃基膜或微孔隔膜。烃基膜的一个实例包括但不限于磺化聚(苯砜)膜。其它离子交换膜可以是合适的。在另一个实施方案中，Fe/V电池体系包括与阳极电解液和阴极电解液接触的电极，所述电极不包含氧化还原催化剂。氧化还原催化剂有时对于难以还原和/或氧化的物质而言是必需的，并且其可以包括金属或金属氧化物。氧化还原催化剂优选不存在于本专利技术实施方案中所使用的电极上。Fe/V电池体系的某些实施方案在低于60℃的电池温度下操作。在其它实施方案中，该体系在-20℃至50℃的电池温度下操作。在优选的实施方案中，该体系不包括主动调节电池温度的热管理装置。具体而言，不使用热管理装置来加热Fe/V电池体系。如下文所更详细描述的，在Fe/V电池体系中，既包含SO42-又包含Cl-离子的支持溶液可以通过提高阳离子的溶解度来进一步改善其性能和特性。在具体的实施方案中，Cl-与SO42-的浓度比可以为1∶100至100∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶10至10∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶3至3∶1。在支持溶液包含Cl-和SO42-且阳极电解液和阴极电解液均包含V和Fe阳离子的情况中，V2+、V3+、Fe2+、和Fe3+的浓度大于1.5M。在阳极电解液包含V阳离子且阴极电解液包含Fe阳离子的情况中，阳极电解液中的V2+和V3+的浓度大于2M且阴极电解液中的Fe2+和Fe3+的浓度大于2M。在另一个实施方案中，氧化还原液流电池体系包括含有SO42-和Cl-混合物的支持溶液。如本文别处所述，具有混合的SO42-和Cl-的支持溶液可以提高能量密度并改善阴极电解液和/或阳极电解液中的一种或多种离子物质——例如Fe2+、Fe3+、Cr2+、Cr3+以及其它离子物质——的稳定性和溶解度。在具体的实施方案中，Cl-与SO42-的浓度比可以为1∶100至100∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶10至10∶1。在其它实施方案中，该比例可以为1∶3至3∶1。在其它实施方案中，可将其它卤素离子与SO42-混合，所述其它卤素离子包括但不限于F-。前述概要的目的是使美国专利和商标局以及公众，尤其是本领域中不熟悉专利或法律术语或用语的科学家、工程师和专业人员能够通过粗略的阅览而快速确定本申请公开的
技术实现思路
的性质和本质。该概要既非意在限定本申请的专利技术(其由权利要求所体现)，也非意在以任何方式限制本专利技术的范围。本专利技术的各种优点和新的特征在本文中进行描述并且将由以下的详细描述而对本领域技术人员而言更加显而易见。在以上和以下的描述中，示出并描述了各种实施方案，包括优选的实施方案。本文包括对为实施本专利技术所提出的最佳实施方案的描述。如可被认识到的，本专利技术能够在不背离本专利技术的情况下在各个方面进行修改。因此，下文示出的优选实施方案的附图和说明实际上应当被视为例证性的而非限制性的。附图说明下面参照以下附图对本专利技术的实施方案进行描述。图1为比较使用含氯化物的支持溶液和含硫酸盐的支持溶液的全钒RFB的电流-电压图。图2比较了氯化钒RFB体系中的氯气和氧气的热力学平衡浓度(a)和平衡电势(b)。图3比较了氯化钒RFB体系本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于钒的氧化还原液流电池体系，所述体系的特征在于，阳极电解液的支持溶液中包含V2+和V3+，阴极电解液的支持溶液中包含V4+和V5+，所述支持溶液包含Cl。
【技术特征摘要】
2010.09.28 US 12/892,6931.一种基于钒的氧化还原液流电池体系，所述体系的特征在于，阳极电解液的支持溶液中包含V2+和V3+，阴极电解液的支持溶液中包含V4+和V5+，所述支持溶液包含Cl。2.权利要求1的体系，其中所述支持溶液包含SO42-和Cl-离子的混合物。3.权利要求2的体系，其中Cl-与SO42-的浓度比为1∶100至100∶1。4.权利要求2的体系，其中Cl-与SO42-的浓度比为1∶10至10∶1。5.权利要求2的体系，其中Cl-与SO42-浓度比为1∶3至3∶1。6.权利要求1的体系，其中所述阴极电解液包含VO2Cl(H2O)2。7.权利要求1的体系，在操作期间具有高于40℃的电池温度。8.权利要求1的体系，在操作期间具有-35℃至60℃的电池温度。9.权利要求8的体系，不具有...
【专利技术属性】
技术研发人员：李利宇，S·金，杨振国，王玮，张建鲁，陈宝卫，聂资敏，夏冠光，
申请(专利权)人：巴特尔纪念研究院，
类型：发明
国别省市：美国;US
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