氧化还原液流电池用电解液及氧化还原液流电池的制作方法_2

文档序号:9621208阅读:来源:国知局
r>[0044] (7)锌(Zn)离子的浓度为1质量ppm以下,
[0045] (8)钼(Mo)离子的浓度为20质量ppm以下,
[0046] (9)锑(Sb)离子的浓度为1质量ppm以下。
[0047] 在重金属元素离子中,特别是上述重金属元素离子倾向于参与沉淀生成。因此,如 果对RF电解液中的这些重金属元素离子的浓度进行调整,则能够抑制沉淀生成和由此导 致的RF电池的电池性能随时间的下降。特别地,在钒基RF电池中,抑制氢气生成但参与沉 淀生成的低电位的金属元素离子包括某些上述重金属元素离子。因此,通过调整这些重金 属元素离子的浓度,可以抑制电池性能的下降并可以提高能量密度。在上述重金属元素离 子中,可以具有比钒基RF电池的负极活性物质的标准电位(V2+/V3+:约-0. 26V)低的电位的 金属元素离子为Cr和Zn。
[0048] (Η)优选所述轻金属元素离子在浓度方面满足下面(10)至(14)中的至少一项:
[0049] (10)钠(Na)离子的浓度为30质量ppm以下,
[0050] (11)镁(Mg)离子的浓度为20质量ppm以下,
[0051] (12)铝(A1)离子的浓度为15质量ppm以下,
[0052] (13)钾(K)离子的浓度为20质量ppm以下,
[0053] (14)钙(Ca)离子的浓度为30质量ppm以下。
[0054] 在轻金属元素离子中,特别是上述轻金属元素离子倾向于参与沉淀生成。因此,如 果对RF电解液中的这些轻金属元素离子的浓度进行调整,则能够抑制沉淀生成和由此导 致的RF电池的电池性能随时间的下降。
[0055] (I)优选所述非金属元素离子在浓度方面满足下面(15)和(16)中的至少一项:
[0056] (15)氯(C1)离子的浓度为20质量ppm以下,
[0057] (16)砷(As)离子的浓度为1质量ppm以下。
[0058] 在非金属元素离子中,特别是上述非金属元素离子倾向于参与沉淀生成。因此,如 果对RF电解液中的这些非金属元素离子的浓度进行调整,则能够抑制沉淀生成和由此导 致的RF电池的电池性能随时间的下降。
[0059] (J)优选所述铂族元素离子在浓度方面满足下面(17)至(20)中的至少一项:
[0060] (17)铑(Rh)离子的浓度为1质量ppm以下,
[0061] (18)钯(Pd)离子的浓度为1质量ppm以下,
[0062] (19)铱(Ir)离子的浓度为1质量ppm以下,
[0063] (20)铂(Pt)离子的浓度为1质量ppm以下。
[0064] 在铂族元素离子中,特别是上述铂族元素离子倾向于促进氢气的生成。因此,如果 对RF电解液中的这些铂族元素离子的浓度进行调整,则能够在电池反应期间,特别是在充 电末期抑制氢气的生成。结果,可以提高活性物质的利用率,从而提高RF电池的能量密度。
[0065] (K)优选在根据实施方式㈧至(J)中任一项的RF电解液中,V离子的浓度为 lmol/L以上且3mol/L以下,游离硫酸的浓度为lmol/L以上且4mol/L以下,磷酸的浓度为 1.0X104mol/L以上且7. 1X10 kol/L以下,铵的浓度为20质量ppm以下,硅的浓度为40 质量ppm以下。
[0066] 具有这种组成的RF电解液可以在电池反应期间抑制沉淀的生成,并因此可以抑 制电池性能随时间的下降。具有这种组成的RF电解液还可以在电池反应期间,特别是充电 末期抑制氢气的生成。结果,可以提高活性物质的利用率,从而提高RF电池的能量密度。
[0067] (L)根据实施方式的RF电池包含根据实施方式(A)至(K)中任一项的RF电解液。
[0068] 根据该实施方式的RF电池包含其中抑制了沉淀生成和氢气生成两者的RF电解 液。结果,可以抑制电池性能随时间的下降,且RF电池可以具有高能量密度。
[0069] [本申请发明的实施方式的详述]
[0070] 下面将参照附图对本申请发明的实施方式的RF电解液进行说明。然而本发明不 限于这些实施方式。本发明的范围由权利要求书表示,且旨在包含与权利要求书等价的含 义和范围内的所有变更。
[0071 ] 参照图1,将以采用V离子作为正极活性物质和负极活性物质的RF电池1为例对 实施方式的RF电池和RF电解液进行说明。在图1中,实线箭头表示在充电期间原子价的 变化,虚线箭头表示在放电期间原子价的变化。图1仅表示出活性物质(V离子)的代表性 原子价,活性物质可具有在图1中所示的原子价以外的原子价。可以包含V离子以外的活 性物质。
[0072] 〈RF电池的整体构造〉
[0073] 代表性地,RF电池1通过交流/直流转换器连接至发电单元(例如,太阳能光伏 发电机、风力发电机或其它普通的发电厂)与负荷(例如,用户)间的中间位置。RF电池 1用由发电单元生成的电力进行充电从而储存电力,或者进行放电以为负荷提供储存的电 力。如同现有的RF电池,RF电池1包括电池单元100和用于将电解液供给到该电池单元 100的循环机构(罐、管道、栗)。
[0074] (电池单元及循环机构)
[0075] RF电池1中的电池单元100包含其中具有正极104的正极单元102、其中具有负极 105的负极单元103和将单元102与单元103相互隔开并可渗透离子的隔膜101。正极单 元102通过管道108和110连接至储存正极电解液的正极罐106。负极单元103通过管道 109和111连接至储存负极电解液的负极罐107。管道108和109分别装配有用于循环两电 极的电解液的栗112和113。在电池单元100中,通过管道108~111和栗112和113分别 将正极罐106中的正极电解液和负极罐107中的负极电解液循环供给至正极单元102 (正 极104)和负极单元103 (负极105),并且通过在两电极处的电解液中充当活性物质的金属 离子(本实施方式中为V离子)的原子价的改变对电池进行充电和放电。
[0076] 通常以称作电池堆的形式使用电池单元100,所述电池堆通过将多个单元电池进 行堆叠而得到。各个单元电池包含正极1〇4(正极单元102)、负极105 (负极单元103)和隔 膜101作为部件。将电池框架用于电池堆,各个电池框架包含:双极板(未显示),在双极 板的一面上设置正极104,在双极板的另一面上设置负极105 ;以及框架(未显示),其具有 供给电解液用的液体供给孔和排出电解液用的液体排出孔,并且形成在双极板的外周。通 过堆叠多个电池框架,所述液体供给孔和液体排出孔形成电解液用流体通路。将该流体通 路连接至管道108~111。通过依次堆叠电池框架、正极104、隔膜101、负极105、电池框架 而构成电池堆。RF电池的基本结构可以从已知结构中合适的选择。
[0077] (RF 电解液)
[0078] 本实施方式的RF电解液为液体,其中充当活性物质的元素离子包含在溶剂中;该 液体以非常低的浓度包含参与沉淀生成的杂质元素离子以及铂族元素离子。在本实施方式 中,使用包含V离子作为活性物质的RF电解液作为正极电解液和负极电解液。在此,正极 电解液和负极电解液中V离子优选具有3. 3以上且3. 7以下的平均原子价,V离子的浓度 优选为lmol/L以上且3mol/L以下。更优选地,平均原子价为3. 4以上且3. 6以下,V离子 的浓度为1. 5mol/L以上且1. 9mol/L以下。
[0079] RF 电解液的溶剂可以为例如选自 H2S04、K2S04、Na2S0 4、H3P04、H4P20 7、K2HP04、Na3P04、 K3P04、HN03、KN03、HC1和NaN0 3的至少一种的水溶液。或者,RF电解液的溶剂可以为有机酸 溶剂。
[0080] [参与沉淀生成的杂质元素离子]
[0081] 本发明的发明人进行了研究,结果发现:当在RF电解液中参与沉淀生成的杂质元 素离子的总量在RF电解液中为220质量ppm以下时,可以有效地抑制沉淀(代表性地为源 自活性物质的氧化物)的生成。此外,本发明人发现:参与沉淀生成的杂质元素离子分为金 属元素离子和非金属元素离子,并且金属元素离子和非金属元素离子优选满足一定的总浓 度。由此,可以有效地抑制RF电池中沉淀的生成。通过从RF电解液的原料或RF电解液中 选择性地去除容易去除的分类中的元素离子,实现RF电解液的高制造效率。下文中,将对 金属元素离子和非金属元素离子进行说明。
[0082] (金属元素离子)
[0083] 在本实施方式的RF电解液中,在参与沉淀生成的杂质元素离子中的金属元素离 子的总浓度优选为195质量ppm以下。这是因为由此可以有效地抑制RF电池中沉淀的生 成。
[0084] 参与沉淀生成的金属元素离子可以进一步分类为重金属元素离子和轻金属元素 离子。金属元素离子的总浓度优选为195质量ppm以下且优选满足以下总浓度中的至少一 项:重金属元素离子的总浓度为85质量ppm以下且轻金属元素离子的总浓度为120质量 ppm以下。这是因为可以有效地抑制RF电池中沉淀的生成。
[0085] 下面对参与沉淀生成的重金属元素离子的实例进行说明。这些重金属元素离子特 别倾向于参与沉淀的生成。因此,这些重金属元素离子的各自的浓度优选满足在下面一同 记载的浓度。
[0086] (l)Cr离子:10质量ppm以下
[0087] (2) Μη离子:1质量ppm以下
[0088] (3)Fe离子:40质量ppm以下
[0089] (4) Co离子:2质量ppm以下
[0090] (5) Ni离子:5质量ppm以下
[0091] (6) Cu离子:1质量ppm以下
[0092] (7)Zn离子:1质量pp
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