[发明专利]高表面面积的液流电池电极

说明书

流体单元电池包括至少一个阳极室和至少一个阴极室，并且分离膜设置在每个阳极室与每个阴极室之间。每个阳极室和每个阴极室均包括双极板和流体电解溶液以及位于双极板表面上的至少一种碳纳米材料，其中流体电解溶液在碳纳米材料周围流动。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年10月17日提交的第13/274,495号美国申请的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及大尺寸（1KWh-几MWh）电能存储设备。具体地，本发明涉及液流电池形式的可再充电电池。更具体地，本发明涉及液流电池及其他可能类型电池的改进电极结构。

背景技术

由于期望使用“绿色”能源和可再生能源，因此人们希望将这些间歇型能源并入电网。间歇型能源包括但不限于风能、太阳能、光伏能以及波浪能。例如，如果没有风，则风轮机将不能产生电能；然而，当其产生能量时，当前电网并不总能处理所产生的大量能量。与电网相连接的储能装置能够存储来自这些间歇型可再生能源的过量能量，并当需要时向电网释放所存储的能量。可再生能源和电网储能的这种组合将支持能量独立、减排以及可再生能源。还需要可靠的电网储能装置，以缓解输电阻塞、允许能量价格套利、以及改进电网的总体质量。

人们相信液流电池是形成和改进电网存储的可行性解决方案。液流电池可以提供有效的模块化能量储存并且实现低成本。液流电池可被独立操作并通过利用可再填充液体反应物来提供足够的能量和额定功率，并且具有低周期冲击和长寿命。当液流电池涉及微电网或小功率系统时，其还具有其他用途，如用作后备电源。然而，这些系统的成本阻碍了其被大规模部署。系统成本的主要部分在于液流电池的单元电池堆以及相关的阳极电解液和阴极电解液。在很大程度上，电池堆的成本归因于流过单元电池堆的电流密度。较高的电流密度使得更多功率生成在给定单元电池堆中并有效地减小每瓦特的成本。但是由于低表面面积电极的当前技术状态，较高的电流密度将导致更高的能量损失，这样会增加运营成本。因此，电极需要具有更大的电活性表面面积，并且仍需设法使成本最小化。当前的液流电池系统使用基于碳的材料，如碳毡，以用于电极。

参照图1，可以看到，已知的液流电池结构大体由附图标记10表示。电池10设置成单个单元电池的结构，但是本领域技术人员应理解，多个单元电池可被包括在一个堆中，并且可使用多个堆。在任何情况下，液流电池包括阳极12和阴极14，这两者都被称为电极。阳极电解液容器16和阴极电解液容器18引导各自的流体材料通过阳极流动区域22和阴极流动区域24。分离膜20用于分隔阳极电解液流动区域22与阴极电解液流动区域24并且允许这两个流动面积之间的离子交换。当这些材料流经其各自通道时，可通过氧化还原反应生成电能，其中电子通过示意性示为灯泡的外部电负载26。

本领域技术人员应理解，液流电池为可再充电电池，其中包括一个或多个溶解的电活性物质的阳极电解液和阴极电解液流经电化学单元电池，其中该电化学单元电池将化学能直接转换成电能。液流电池通过当外部电功率源施加至电极时使电解溶液液体再次流过流动区域而被再次充电，从而有效地反向电生成反应。液流电池在以下方面是有利的：在电解溶液中的活性物质反应准许反应物的外部存储，从而允许功率和能量密度规格独立地按比例增加。此外，外部存储反应物避免了在其他主次电池系统中所观察到的自放电。这样，在负载需要之前，能量有效地存储在阳极电解液容器和阴极电解液容器中。

在液流单元电池的操作中利用各种化学过程。具体地，可使用不同类型的阳极电解液材料和阴极电解液材料。例如，可使用锌溴系统，其中在单元电池堆中进行镀锌。这些类型的配置使用效率高且成本低的反应物。还可使用钒氧化还原技术。这样提供了高的效率但是提供了低的能量密度。在材料之间交叉污染风险被最小化，但是钒是一种昂贵的材料并且所使用的五氧化物在其不可再用后是一种具有危害的物质。另一类型的液流电池使用铁铬。其优点在于使用低成本反应物，但是与锌溴或钒氧化还原实施方式相比其当前仅用于较小型的系统。在液流电池结构中还可以使用其他化学对。