[发明专利]用于铁液流电池的电解质

说明书

操作铁氧化还原液流电池系统的方法可以包括：将铁氧化还原液流电池单元的电镀电极与电镀电解质流体耦合；将所述铁氧化还原液流电池单元的氧化还原电极与氧化还原电解质流体耦合；将延性电镀添加剂与所述电镀电解质和氧化还原电解质中的一种或两种流体耦合；以及响应所述电镀电极上的电镀应力升高，增加电镀电解质中延性电镀添加剂的量。这样，可以在负极上电镀延性Fe，并且可以保持铁氧化还原液流电池的性能、可靠性和效率。此外，铁可以被更快速地产生并被电镀到电镀电极上，从而实现全铁液流电池的较高充电速率。

技术领域

本申请为2017年2月17日提交的名称为“用于铁液流电池的电解质”的美国专利申请NO.15/436,593的国际申请。美国专利申请No.15/436,593是2014年3月7日提交的名称为“制备用于铁氧化还原液流电池的稳定电解质的方法”的美国专利申请No.14/201,244的部分接续申请，现为美国专利申请No.9,865,895。美国专利申请No.14/201,244要求2013年3月12日提交的名称为“制备用于全铁氧化还原液流电池的稳定电解质的方法”的美国临时专利申请No.61/778,143的优先权。上述所有申请的全部内容通过引用并入本文中用于所有目的。

政府支持的致谢

本发明是在政府的支持下根据由DOE的ARPA-E办公室授予的合同号DE-AR0000261做出的。政府在本发明中具有一定的权利。

背景技术和发明内容

还原-氧化(氧化还原)液流电池是一种以化学形式储存能量并通过自发的逆氧化还原反应将所储存的化学能转化为电形式的电化学存储装置。液流电池中的反应是可逆的，因此反过来，通过施加电流诱导逆氧化还原反应，可以恢复所分配的化学能。单个氧化还原液流电池单元通常包括负极、膜屏障、正极和含有电活性物质的电解质。多个电池单元可以串联或并联组合，以在液流电池中产生较高的电压或电流。电解质通常储存在外部槽中，并被泵送通过电池的两侧。当施加充电电流时，电解质在正极失去电子，在负极获得电子。在允许离子电导的情况下，膜屏障阻止正电解质和负电解质混合。当施加放电电流时，电极上发生逆氧化还原反应。电池两端的电位差是由电解质内的化学氧化还原反应维持的，当反应持续时，可以通过导体诱导电流。氧化还原电池所储存的能量受电解质中可供放电的电活性物质的数量的限制，取决于电解质的总体积和电活性物质的溶解度。

混合液流电池的特点是将一种或多种电活性物质作为固体层沉积在电极上。例如，混合电池可以包括在整个充电反应过程中以固体形式电镀在基板上的化学物质，且在整个放电过程中其释放的物质可以被电解质溶解。在混合电池系统中，氧化还原电池所储存的能量可能受到充电过程中所镀金属的量的限制，因此也可能由电镀系统的效率以及对于电镀有效的体积和表面积决定。

在混合液流电池系统中，负极可称为电镀电极，正极可称为氧化还原电极。电池的电镀侧内的电解质可称为电镀电解质，电池的氧化还原侧的电解质可称为氧化还原电解质。

阳极是指其中电活性物质失去电子的电极。在充电过程中，负极获得电子，因此是电化学反应的阴极。在放电过程中，负极失去电子，因此是反应的阳极。因此，在充电过程中，电镀电解质和电镀电极可分别称为电化学反应的阴极电解质和阴极；氧化还原电解质和氧化还原电极可分别称为电化学反应的阳极电解质和阳极。另外，在放电过程中，电镀电解质和电镀电极可分别称为电化学反应的阳极电解质和阳极，氧化还原电解质和氧化还原电极可分别称为电化学反应的阴极电解质和阴极。

混合氧化还原液流电池的一个例子使用铁作为反应的电解质，其中在负极上，在充电过程中，Fe²⁺接受两个电子，并沉积为铁金属，而在放电过程中，铁金属失去两个电子并重新溶解为Fe²⁺。在正极上，在充电过程中，两个Fe²⁺失去两个电子形成两个Fe³⁺，在放电过程中，两个Fe³⁺得到两个电子形成两个Fe²⁺：