[发明专利]用作电池电解质的具有醚官能团的卤化季铵

说明书

本文包括电解质溶液和液流电池。概括地讲，所述电解质溶液包括包含一种或多种A类卤化季铵盐的电解质溶液。所述液流电池包括包含一种或多种A类卤化季铵盐的电解质溶液。

技术领域

概括地讲，本公开涉及电解质溶液和包括电解质溶液的液流电池(flow cellbattery)。

背景技术

双原子溴还原成两个溴离子已经在可流动电池的电解质流体中使用了几十年。其功能取决于溴半反应的电池类型包括溴化锌、溴化氢和溴化钒电池。这种电池通常包含流动的电解质，流动的电解质允许增加的电解质体积，延长在需要再充电之前电池的寿命。如果需要的话，它还使得能够通过更换废电解质流体来对电池的电力进行再充电，同时允许使用普通的再充电方法。

发明内容

然而，即使在相对低的浓度下，双原子溴也具有形成从液体电解质中分离出的气相的倾向，从而干扰含溴电池的再充电。因此，必须使电解质中的游离的双原子溴浓度足够低，使得不会发生气相形成。此外，除了游离溴蒸发的趋势之外，溶液中大量的游离溴可导致金属电极(例如在溴化锌电池的情况下的锌电极)的直接氧化。因此，在溴必须溶剂化以在电池使用/再充电期间用作电子供体/受体的同时，浓度最优地仅保持在低水平。

为了满足这些要求并且还具有可观的电池寿命，含溴液流电池(bromine-containing flow battery)的电解质溶液可以含有与元素溴络合的试剂，防止溴气相的形成。所述络合物可以形成与电解质的剩余部分分开的单独层，基本上将远离电极的络合的溴封存(sequestering)在油相中。油相形成的程度在一定程度上取决于络合剂的特性。络合剂可释放地保留双原子溴，随着存在于溶液中的双原子溴被还原为溴离子，通过将另外的双原子溴释放到电解质溶液中充当储器。在电池再充电(battery cell recharging)期间，随着溴被释放，可溶于电解质中的络合剂被再生并再次成为循环电解质溶液的组分。

基于卤化季氮的络合剂通常能够与至少一个，且在一些情况下四个或更多个双原子溴分子络合。在理论上，络合剂能够络合的双原子溴越多，则该试剂将能够越长时间释放溴，并且在需要再充电之前电池(battery cell)的寿命越长。

现在已经观察到，增加卤化季铵化合物取代基的脂族链长度改进化合物与双原子溴络合的能力，得到每分子季铵化合物具有增加量的螯合溴的络合物。然而，为了络合双原子溴，分子还必须可溶于电解质水溶液中；溴络合能力不显著，除非络合剂被溶剂化。关于卤化季铵化合物，通过增加氮取代基的脂族链长度来增加溴络合能力的尝试已经遇到降低溶解性的实际限制。因此，已经用作络合剂的分子通常是带有短的脂族取代基(例如甲基和乙基)的相对简单的季铵化合物，以避免阻碍电解质溶解性。

液流电池(flow-battery cell)可以用于各种各样的最终用途。这种用途跨越一定温度范围。卤化季铵络合剂(“季铵盐”)的溶解性可以是严重温度依赖性的，其中迄今为止使用的卤化季铵化合物，例如溴化二甲基乙基丙基铵(DMEP)具有约23.2℃的浊点(其中文中所用的“浊点”是指DMEP为0.7M且ZnBr₂为2.5M的溶液的浊点)。许多具有高螯合效率的络合剂具有高于约20℃的浊点，且因此不能可靠地在低于其相应浊点的温度下在电解质水溶液中保持溶剂化，这进一步限制了电池可以使用的用途。为了本文的目的，将“高螯合效率”定义为从初始混合物中留下小于1.5重量%游离溴，所述初始混合物中络合剂为0.7M、溴化锌为0.5M且溴为2M。

已经发现，使用特定类型的含醚季铵盐(称为“A类”季铵盐，其不同地具有高溶解性(特征在于低浊点))与其它季铵盐可以得到具有相对于所述其它季铵盐本身增加的溶解性的混合物，且最令人惊讶的是，游离溴特征与单个混合物组分本身的游离溴特征相比令人惊讶地低。“浊点”是指含有0.7M络合剂和2.5M溴化锌的水溶液的浊点。

因此，一方面，本公开提供电解质和包含所述电解质的含溴液流电池。所述电解质包含一种或多种各自具有选自以下的分子结构的A类季铵盐：