能在电化学反应中操作的阴极和相关的电池、装置以及方法
【专利说明】能在电化学反应中操作的阴极和相关的电池、装置从及方 法
[oow] 相关专利申请
[0002] 本申请要求于2013年6月7日提交的美国临时申请S.N. 61/832, 236 (G.Soloveich化等人）；和 2013 年6月 7 日提交的S.N. 61/832, 221 (G.Soloveichik)的权益。 运两个申请的内容均通过引用并入本文。 柳的]背景
[0004] 电网规模的电能储存巧E巧指的是大规模地将电力储存在电力网中的方法。简言 之，在当发电厂的产量超过消耗量的时间期间储存电能。当消耗量超过产量时，使用储存的 电力。W该方式可将电力的生产保持在更稳定的水平。由此，可更有效和容易地操作燃料 基发电厂（即煤、油、气）。此外，关于电网连接的"间断性能量源"的效果，例如太阳能（光 电的）和风能满轮，存在更多的可预测性和更大的灵活性。由此，电网规模的EES是和可再 生能源的使用有关的一个重要方面。然而，现行可用的EES技术常常W高成本操作和/或 并非实际可缩放。
[O(K)日]氧化还原（氧化还原）液流电池（RFB)被认为是用于邸S的强有力的候选物，运 归因于它们分离电力和能量的能力、它们的灵活布置和它们潜在的低成本。然而，当前使用 的电极材料（例如饥或漠）的低能量密度（20-50Wh/kg)和高材料成本抑制RFB对市场的 广泛渗透。除了昂贵的全饥装置外，大多数其它RFB化学物质包括可对交叉污染敏感的阴 极电解液-阳极电解液系统。该污染不可通过使用离子交换膜来防止，并由此成为可需要 活性材料再加工的主要问题。像运样的另外的加工步骤可增加维护成本和停工期，并减少 RFB装置的寿命。通常，对于降低或消除像那些使用RFB的邸5技术中的两个主要缺点：低 能量密度和高材料成本，存在相当的兴趣。
[0006] 胆能装置（像液流电池）的另一个重要的用途是电动车辆巧V)。对于现代EV，已 放弃使用不实用的重铅酸电池。尽管高度进步的电池化学物质（像裡离子）显示出应用于 现代EV的巨大前景，但仍留有严重缺点。例如，在EV中，电池系统仍通常代表最昂贵和最 重的组件。此外，出于安全考虑，电池系统周围常常需要金属或"装甲"外覆。外覆可向EV 增加另外的重量。运可继而对电池提出更大的要求；并可在必须再充电之前减少操作时间。 不像裡离子和其它电池系统类型，液流电池可方便地在物理意义上分离阴极和阳极组件， 并且运可降低在电池的电极组件彼此紧靠放置时可出现的危险。
[0007] 由上述考虑而应明显的是，新型液流电池和电池内的组件将为本领域所期望。例 如，具有增加能量密度的潜力的液流电池对于多种终端用途将显示出可观的进步。结合通 过液流电池设计（例如，阴极和阳极的选择性位置）容许的灵活性，电池化学成分的相对低 成本将代表另一个期望的属性。此外，形成电池的一部分的新型电极（例如阴极）可极好 地用于其它电化学应用和相关系统，例如燃料电池和传感器。
[0008] 简述
[0009] 本发明的一个实施方案设及液流电池（有时称为"液流-辅助电池"），其包含：
[0010] (a)第一室（阴极电解液），其包含面素含氧酸化合物的至少一种盐的水性溶液； W11] (b)第二室（阳极电解液），其包含能够参加与组分（a)的盐的还原-氧化（氧化 还原）反应的电化学-活性材料的水性溶液；
[0012] (C)至少一种离子-渗透膜，其分离第一室和第二室；和
[0013] (d)用于使水性溶液流动通过电池的装置。
[0014]另一个实施方案设及能够在电化学反应中操作的阴极。该阴极包含面素含氧酸的 至少一种盐的水性溶液。
[0015]另一个实施方案设及向装置、系统或车辆提供电能的方法。该方法包含将至少一 种如本文所述的液流电池电连接至装置、系统或车辆的步骤。
[0016]本发明实施方案的另外的方面和/或优点将阐述于W下描述中。
[0017] 附图简述
[0018] 图1为根据本发明一个方面的液流电池的简化示意图。
[0019] 图2为根据本发明另一方面的液流电池的简化示意图。
[0020] 详述
[0021] 本发明的一个实施方案设及含有至少一个电化学电池的液流电池。一个或多个电 化学电池包含面素含氧酸盐和阳极。阳极可包含液体有机氨载体或金属。通常，含氧酸化 合物遵循通式版〇3,其中X为氯、漠或舰。相应的盐分别为氯酸盐、漠酸盐和舰酸盐。
[0022] 关于氯，相应的氯酸的盐（即氯酸盐）经常选自：氯酸钢、氯酸钟、氯酸裡、氯酸巧、 氯酸儀、氯酸锋；和它们的组合。关于漠，相应的漠酸的盐（即漠酸盐）经常选自：漠酸钢、 漠酸钟、漠酸裡、漠酸巧、漠酸儀、氯酸锋；和它们的组合。关于舰，相应的盐（即舰酸盐）经 常选自舰酸钟、舰酸钢或它们的组合。
[0023]通常，阴极和阳极分别包含通过离子渗透膜分离的阴极电解液和阳极电解液。通 常，系统还包括集流器和外壳。通常将阴极电解液和阳极电解液胆槽布置为与阴极和阳极 连通（例如液体连通）。另外的组件包括累和管道W及控制设备。
[0024]阴极化学基于可逆的氧化还原（还原-氧化）反应，所述氧化还原反应将氧化面 化离子狂〇3)转化为面化物离子狂），其中X可W为C1、化或I。关于氯，该反应的标准半 电池电势E°为1. 45V;对于漠为1. 42V;而对于舰为1. 085V。该反应允许每个面素原子中 6个电子的转移，结合由金属面酸盐和面化物呈现出来的高溶解度，可向阴极提供相对高的 能量密度-尤其是在氯酸盐/氯化物的情况下。（为了简化起见，经常将氯用于说明。然而 应理解，漠或舰可替代使用。在一些情况中，术语"面酸盐"将用于描述氯酸盐、漠酸盐或舰 酸盐中的任一）。由此，关于氯，阴极电解液通常包含带电形式的金属氯酸盐和放电形式的 金属氯化物。
[0025]根据W下讨论的本发明的实施方案，用于电池的阳极电解液包含能够可逆脱氨的 有机氨载体（通常W液体形式）和任选地溶剂W及盐。脱氨反应可导致稳定的脱氨化合物 或氨化和脱氨形式的化合物的混合物的形成。
[00%] 如前所述，阴极化学基于可逆的还原氧化反应，其包括将面酸盐转化为相应的面 化物离子。在放电下，面酸根离子（例如氯酸根）消耗6个电子和6个质子W产生面化物 离子（例如氯化物）和3个水分子。在电池充电期间，反应逆向进行（关于氯酸盐/氯化 物，E。= 1. 45V)。
[0027] (Cl〇3)+6H++6e< = =〉C1+3&0 (等式I)
[0028]Cl到Cl〇3的氧化为本领域所已知并在当前用于工业过程，例如生产化Cl〇3。氯酸 钢产生于未分隔的电解池，始于化Cl盐水。在受控抑下（在一些情况中为6-7,并优选约 6. 3-6. 6)，阳极反应产生ClO和肥10,它们在过程溫度化0-90°C)下可快速歧化为化ClO3 和化Cl,同时在阴极侧离析出氨气化2)。
[0029]除歧化外，还通过直接电化学方式产生面酸盐，例如氯酸盐。过渡金属盐可用于抑 制阳极化析出并降低超电势。氯酸盐到氯化物离子的电化学还原为本领域所已知，并且可 通过钻盐催化。一般，在运类电池的阳极处出现的化学反应是根据W下等式的有机氨载体 的可逆脱氨：
[0030]LHn< = = 乂+nf+ne(等式 2)，
[0031] 其中L为含有一个或多个不饱和键，例如C=C、C= 0、C=N、C三N或一个或多 个芳族环的有机化合物。
[0032] 如前所述，将至少一种有机氨载体用于本发明的实施方案。在一些实施方案中，有 机氨载体是在脱氨时能产生芳族化合物或幾基化合物的一种。一些合适的有机氨载体的实 例为环控、杂环化合物、醇和它们的组合。醇的非限制性实例为2-丙醇、1，3,5-=径基环己 烧、2, 3-下二醇、1，4-下二醇、1，4-戊二醇、1，5-戊二醇和它们的组合。可使用两种或更多 种载体的低烙点混合物