[发明专利]具有箱内电解质再平衡的密封的水相液流电池系统

说明书

一种包括采用无源的、箱内电解液复合系统的密封的水相液流电池的电池系统。该复合系统允许在其中氢析出可以作为副反应发生而不必使用任何外部供应的再平衡反应物的电池中的电解液稳定。该系统是无源系统，其不需要控制系统、额外的泵或泵送能量。

相关申请和政府权利

此申请要求于2015年10月9日提交的美国临时专利申请序列号62/239,469的优先权。

在由美国能源部授予的合同号DE-AC04-94AL85000下在政府的支持下完成了此发明。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

此发明涉及包括采用无源、箱内电解液复合系统的密封的水相液流电池(battery)的电池系统。该复合系统允许在其中氢析出可以作为副反应发生而不必使用任何外部供应的再平衡反应物的电池中的电解液稳定。该系统是无源系统，其不需要控制系统、额外的泵或泵送能量。

背景技术

液流电池以化学形式存储电能并且随后经由自发的逆向氧化还原反应以电的形式分配存储的能量。还原-氧化(氧化还原)电池是电化学存储装置，其中，含有一个或多个溶解的电活性物质的电解液流过其中化学能被转换为电能的反应器单元(cell)。相反地，可以使经放电的电解液流过反应器单元，使得电能被转换为化学能。液流电池中所使用的电解液一般由离子化的金属盐组成，离子化的金属盐被存储在大的外部箱中并且根据施加的充电/放电电流通过单元的每侧来泵送。可以通过泵送、重力馈送或者通过使流体通过该系统移动的任何其他方法使外部存储的电解液流过该电池系统。液流电池中的反应是可逆的，并且电解液可以被再充电而无需更换电活性材料。因此，氧化还原液流电池的能量容量与总电解液容积(例如，储存箱的尺寸)有关。在全功率下氧化还原液流电池的放电时间还取决于电解液容积并且通常从数分钟至许多天变化。无论是在液流电池、燃料单元还是二次电池的情况下，执行电化学能量转换的最小单位一般被称为“单元”。集成串联或并联电耦合的许多此类单元以取得较高电流或电压或两者的装置一般被称为“电池”。如本文所使用的，术语“电池”可以指单个电化学单元或多个电耦合的单元。如同传统电池，在液流电池系统中，单元可以被“堆叠”在一起以实现期望的功率输出。因此，术语“单元”和“电池”在本文中可以被可互换地使用。

由于电解液被外部存储，所以可以由液流电池存储的能量的量主要由化学物质的溶解度和箱的尺寸来确定。箱的尺寸和存储容量可以被容易地缩放。真正的液流电池将所有化学物质流过该电池并存储在外部箱中，并且因此能量和容积容量可以被独立地定尺寸。钒氧化还原液流电池是真正液流电池的示例，并且近年来受到最多关注。在混合液流电池中，化学状态中的至少一个诸如通过析出为金属而驻留在堆叠内。混合液流电池的一个示例是锌-溴电池，其中析出锌金属。在这些系统中，功率和能量容量是耦合的，并且电镀密度(plating density)影响能量/功率容量比率。

在要求电能存储的许多技术中可以利用氧化还原液流电池。例如，可以利用氧化还原液流电池用于夜间电力(其生产是廉价的)的存储，以随后在当电力生产成本较高或者需求超过当前生产能力时的高峰需求期间提供电力。还可以利用此类电池用于绿色能量(即，从诸如风、太阳能、波浪或者其他非常规能源生成的能量)的存储。

靠电力操作的许多装置受到其电源突然去除的不利影响。液流氧化还原电池可以被用作代替较昂贵的备用发电机的不间断电源。有效率的功率存储方法可以被用于构造具有内置备用的装置，内置备用减轻功率切断或突然功率故障的影响。功率存储装置还可以减少发电站处故障的影响。

其中不间断电源可以具有重要性的其他情况包括但不限于其中不间断功率至关紧要的建筑，诸如医院。还可以利用此类电池用于在发展中国家提供不间断电源，发展中国家中的许多没有可靠的电功率源，这造成间歇式功率可用性。针对氧化还原液流电池的其他可能使用是在电动车辆中的使用。电动车辆通过更换电解液可以被迅速地“再充电”。电解液可以独立于该车辆而被再充电并再利用。