(57)【要約】  電極溶液、並びにそれを使用する電気化学セル及び電池。本開示は、電極として機能できる微粒子を含み、それによって、液体フロー電気化学セル及び液体フロー電池の作製に有用な電極溶液を形成する、液体溶液に関する。本開示の電極溶液は、液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅを有する電解質と、コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、シェルの少なくとも一部は導電性の第１の金属を含み、０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅであるコアシェル微粒子（２０２、２０４）とを含み、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、導電性の第１の金属とは異なる要素である、電解質を含み得る。本開示はまた、本開示による電極溶液を含む電気化学セル及び液体フロー電池も提供する。
2019512842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体フロー電池の電極溶液であって、
液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅを有する電解質と、
コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、前記シェルの少なくとも一部は導電性の第１の金属を含み、０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅである、コアシェル微粒子と、
を含み、前記少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、前記導電性の第１の金属とは異なる要素である、液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２】
０．９Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．１Ｄｅである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項３】
０．９５Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０５Ｄｅである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項４】
０．９７Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０３Ｄｅである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項５】
前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、イリジウム、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、タンタル、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、ガリウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項６】
前記第１のレドックス活性種が、第２金属のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項７】
前記第１のレドックス活性種の前記第２の金属が、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、イリジウム、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項８】
前記液体媒体は水性液体媒体である、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項９】
前記水性液体媒体は、少なくとも９０重量％の水を含む、請求項８に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１０】
前記液体媒体は非水性液体媒体である、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１１】
前記非水性液体媒体は、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、カーボネート、ニトリル、アミン、アミド、スルホキシド、ピロリドン、イミダゾリドン、ピリジン、ハロゲン化溶媒、有機酸、無機酸、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１２】
前記電解質は、少なくとも一部が溶解する塩を更に含み、前記塩は前記少なくとも１つのレドックス活性種を含まない、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのレドックス活性種は、前記液体媒体中で少なくとも５０重量％溶解する、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのレドックス活性種は、前記液体媒体中で少なくとも９５重量％溶解する、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１５】
前記コアシェル微粒子の最小寸法は、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロンである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１６】
前記コアシェル微粒子の最小寸法は、約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロンである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位未満である、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１８】
前記第１のレドックス活性種の前記低酸化状態はゼロである、請求項１７に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項１９】
前記第１のレドックス活性種の前記低酸化状態はゼロより大きい、請求項１７に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位より大きい、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２１】
前記第１のレドックス活性種の前記低酸化状態はゼロである、請求項２０に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２２】
前記第１のレドックス活性種の前記低酸化状態はゼロより大きい、請求項２０に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２３】
前記コアは、少なくとも１つの誘電体材料を含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２４】
前記コアシェル微粒子は、金属化セラミック粒子、金属化セラミックバブル、金属化薄片セラミック、金属化セラミックロッド、金属化ポリマー粒子、金属化ポリマーバブル、金属化薄片ポリマー、及び金属化ポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２５】
前記コアシェル微粒子の最大寸法は、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロンである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２６】
前記コアシェル微粒子の最大寸法は、約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロンである、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２７】
液体フロー電池の電気化学セルであって、
請求項１に記載の第１の電極溶液と、
陽極半セルと、
陰極半セルと、
を含み、前記陽極半セル及び前記陰極半セルのうちの少なくとも１つは、固定多孔質電極を含有せず、前記第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される、液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項２８】
前記第１の電極溶液の、前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位未満であり、前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属は陽極であり、前記第１の電極溶液は前記陽極半セルに含有され、前記陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない、請求項２７に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項２９】
前記第１の電極溶液の、前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位より大きく、前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属は陰極であり、前記第１の電極溶液は前記陰極半セルに含有され、前記陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない、請求項２７に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項３０】
請求項１に記載の第２の電極溶液を更に含み、前記第２の電極溶液の、前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位より大きく、前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属は陰極であり、前記第２の電極溶液は前記陰極半セルに含有され、前記陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない、請求項２８に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項３１】
前記陽極半セルと前記陰極半セルとの間に配置されたイオン透過膜を更に含む、請求項３０に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項３２】
前記イオン透過膜はイオン交換膜である、請求項３１に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項３３】
陽極フロープレート及び第１の集電体であって、前記陽極フロープレートは前記第１の集電体及び前記第１の電極溶液と電気的に連通している、陽極フロープレート及び第１の集電体と、
陰極フロープレート及び第２の集電体であって、前記陰極フロープレートは前記第２の集電体及び前記第２の電極溶液と電気的に連通している、陰極フロープレート及び第２の集電体と、
を更に含む、請求項３２に記載の液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項３４】
請求項１に記載の第１の電極溶液を含む、液体フロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、微粒子を含む液体溶液に関する。この微粒子は電極として機能することができ、それにより、液体フロー電気化学セル及び液体フロー電池を含む、電気化学セル及び電池の作製に有用である電極溶液を形成する。本開示は更に、この電極溶液を含む液体フローセル及び液体フロー電池を提供する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セル及びレドックスフロー電池を形成するのに有用である様々な構成要素が、当技術分野において開示されている。このような構成要素は、例えば米国特許第５，６４８，１８４号、同第８，５１８，５７２号、及び同第４，１２６，７３３号、並びに米国特許出願公開第２０１４／０３０６２３号に記載されている。
【発明の概要】
【０００３】
一実施形態において、本開示は、
液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅである電解質と、
コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、少なくともシェルの一部が導電性の第１の金属を有し、０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅである、コアシェル微粒子と、
を含み、
少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、導電性の第１の金属とは異なる要素である、
液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【０００４】
別の実施形態において、本開示は、
本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第１の電極溶液と、
陽極半セルと、
陰極半セルと、
を含み、
陽極半セル及び陰極半セルのうちの少なくとも一方は、固定多孔質電極を含有せず、第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される、
液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０００５】
更に別の実施形態において、本開示は、本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第１の電極溶液を含む、液体フロー電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】従来技術を表す電気化学セルの概略断面図を示す。
【図２Ａ】本開示の例示的な一実施形態による、例示的なコアシェル微粒子の概略断面図を示す。
【図２Ｂ】本開示の例示的な一実施形態による、例示的なコアシェル微粒子の概略断面図を示す。
【図３】本開示の例示的な一実施形態による、例示的な電気化学セルの概略断面図を示す。
【図４】本開示の例示的な一実施形態による、例示的な電気化学セルの概略断面図を示す。
【図５】本開示の例示的な一実施形態による、例示的な電気化学セルの概略断面図を示す。
【図６】本開示の例示的な一実施形態による、例示的な電気化学セル積層体の概略側断面図である。
【図７】本開示の例示的な一実施形態による、例示的な単セル液体フロー電池の概略図である。
【０００７】
明細書及び図面中の参照文字が繰り返して使用される場合は、本開示の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。図面は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。本明細書で使用する場合、記号「〜（between）」が数値範囲に適用されるときには、別途明記しない限り、範囲の端点を含む。端点による数の範囲の記述は、その範囲内の全ての数を含む（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４及び５を含む）と共に、その範囲内の任意の範囲を含む。別途示さない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用する加工寸法（feature size）、量、及び物理的特性を表す全ての数は、全ての場合において「約」という用語で修飾されていると理解すべきである。したがって、特に反対の指示のない限り、上記明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは、本明細書で開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変動し得る、近似値である。
【０００８】
多くの他の変更形態及び実施形態を、当業者であれば考案することができ、それらは本開示の原理の範囲及び趣旨に入ることを理解するべきである。本明細書で使用されている全ての科学用語及び技術用語は、別途明記しない限り、当技術分野において一般的に使用されている意味を有する。本明細書で与えられる定義は、本明細書で頻繁に用いる特定の用語の理解を助けるためのものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上特に明示的に示さない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、用語「又は」は、文脈上特に明示的に示さない限り、一般的に「及び／又は」を含む意味で使用される。
【０００９】
本開示の全体を通じて、第１基材の表面が第２基材の表面と「接触している（in contact）」とき、２つの表面の少なくとも一部分は物理的に接触している、すなわち、２つの基材間に配置された介在基材はない。
【００１０】
本開示の全体を通じて、基材又は基材の表面が第２の基材又は第２の基材の表面に「隣接している（adjacent）」場合、この２つの基材の最も近い２つの表面は互いに面していると見なされる。２つの表面は互いに接触していてもよく、又は介在する第３の基材が２つの表面の間に配置され、互いに接触していなくてもよい。
【００１１】
本開示の全体にわたり、第１基材の表面が第２基材の表面に「近接している（proximate）」とき、２つの表面は互いに面しており、かつ互いに極めて近接している、すなわち、５００ミクロン未満、２５０ミクロン未満、１００ミクロン未満の範囲内、又は更には互いに接触していると見なされる。しかしながら、最初の２つの基材表面間に配置された１つ以上の介在基材があってもよい。
【００１２】
「電解質」は、溶液を導電可能にするイオンを含む溶液である。
【００１３】
「電極溶液」は、電解質及び微粒子を含む溶液である。この微粒子は、その外面の少なくとも一部に電気を伝えることができる。
【００１４】
「レドックス活性種」は、酸化反応及び還元反応のうちの少なくとも一方、又は両方を受けることが可能な材料である。
【００１５】
「陽極液」は、酸化可能な少なくとも１つのレドックス活性種を含有する、電解質溶液である。
【００１６】
「陰極液」は、還元可能な少なくとも１つのレドックス活性種を含有する、電解質溶液である。
【００１７】
「水性液体媒体」は、少なくとも４０重量％から１００重量％の水を含む液体媒体である。
【００１８】
「非水性液体媒体」は、４０重量％未満、０重量％以上の水を含む液体媒体である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
液体フロー電池（例えばレドックスフロー電池など）を作製するために使用され得る、液体フローセルなどの単一の電気化学セル１００（図１参照）は、一般的に、一方又は両方が多孔質で有り得る２つの固定多孔質電極４０、４２（それぞれ陽極、陰極）と、これら２つの電極の間に配設されて、それらの間に電気的絶縁をもたらし、１つ以上の選択イオン種が陽極及び陰極の半セル間を通るための経路を準備するイオン透過膜２０と、陽極及び陰極フロープレート５０、５２であって、前者は陽極に隣接して配置され、後者は陰極に隣接して配置され、各々は、陽極液及び陰極液の電解質溶液を陽極及び陰極それぞれに接触かつ貫入される１つ以上のフローチャネル５５、５５’を含有する、陽極フロープレート及び陰極フロープレートと、を一般的に含む。陽極及び陰極フロープレートはそれぞれ、流体入口ポート５１ａ、５３ａ及び流体出口ポート５１ｂ、５３ｂを含む。単一の電気化学セルを含むレドックスフロー電池では、例えば、セルは２つの集電体６０、６２も含む。２つの集電体のうちの１つは、陽極フロープレート５０、例えばモノポーラ陽極フロープレートの外部表面に隣接し、かつこれと接触しており、１つは陰極フロープレート５０’、例えばモノポーラ陰極フロープレートの外部表面に隣接し、かつこれと接触している。集電体は、セル放電中に発生した電子を外部回路に接続し、有用な働きをすることを可能にする。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２は、それぞれ第１の表面５０ａ及び５２ａを含み、それぞれ集電体６０及び６２と電気的に連通する。２つ以上のセルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陰極フロープレートはバイポーラプレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちモノポーラプレートであるセル積層体の外部の２つのプレートを伴う。機能しているレドックスフロー電池又は電気化学セルは、陽極液、陽極液リザーバ、及び陽極半セルに入る陽極液の流れを促進するための対応する流体分配システム（配管及び少なくとも１つ以上のポンプ）、並びに陰極液、陰極液リザーバ、及び陰極半セルに入る陰極液の流れを促進するための対応する流体分配システムも含む（図１には示さず）。通常はポンプが使用されるが、重力供給システムを使用してもよい。放電の際に、陽極液中のレドックス活性種、例えばカチオンが酸化され、対応する電子が外部回路を流れ抜け、陰極にロードされ、ここでこれらが陰極液中のレドックス活性種を還元する。電気化学的酸化及び還元用のレドックス活性種が陽極液及び陰極液中に含有されるために、レドックスフローセル及び電池は、それらのエネルギーを電気化学セルの主本体の外側に、すなわち陽極液中に保存することができるという特有の特徴を有する。蓄積容量は、主に陽極液及び陰極液の量、並びにこれら溶液中のレドックス活性種の濃度によって制限される。したがって、レドックスフロー電池は、リザーバタンクのサイズ及びレドックス活性種の濃度を適宜増減することによって、例えばウィンドファーム及び太陽エネルギープラントに関連付けられた大規模エネルギー蓄積需要のために使用してもよい。レドックスフローセルは、また、その蓄積容量がその電力に依存しないという利点を有する。レドックスフロー電池又はセルの電力は、一般に、電池内の膜電極アセンブリ、並びにその対応するフロープレート（全体で「積層体」と呼ばれる場合がある）のサイズ、電力密度（電流密度に電圧を乗算したもの）、及び数によって決定される。更に、レドックスフロー電池が電力供給網用途に設計されるために、電圧は高くなければならない。しかしながら、単一レドックスフロー電気化学セルの電圧は、一般的には、４ボルト未満である（セルを構成する半セル反応の電位差）。したがって、実用性を有するのに十分に大きい電圧を発生させるために数百個のセルを連続して接続する必要があり、セル又は電池のコストのうち相当な量が、個々のセルを作る構成要素のコストに関連する。
【００２０】
液体フローセル又は液体フロー電池の電極は、通常、多孔質材料から作製される。多孔質電極材料は、酸化／還元反応を発生させるためのより大きい表面積をもたらす。多孔質電極は、炭素繊維ベースの紙、フェルト及び布を含み得る。多孔質電極を使用する場合、電解質が電極の本体に浸透し、反応のために更なる表面積を利用することができ、電極の単位体積あたりのエネルギー生成率が増加する。また、陽極液及び陰極液の一方又は両方が水性、すなわち水性液体媒体を含み得ることから、多孔質電極の本体への陽極液及び陰極液の浸透を促進するために、電極が親水性表面を有する必要がある場合がある。レドックスフロー電極、特に炭素繊維ベースの電極の親水性を高めるために、表面処理を使用することが多い。しかし、各セルは２つの電極を必要とし、多くのセルが液体フロー電池に使用され得るので、電極は、例えばレドックスフローセル及び／又はレドックスフロー電池などの液体フロー電池など、液体フロー電気化学セルの高価な構成要素となり得る。炭素繊維ベースの電極は、銅及びアルミニウムなど従来の電極材料よりも単価が高くなる場合がある。炭素電極の表面処理は、追加のプロセスステップ及び装備要件を付加し、コストを更に増加させる。更に、フローセル又はフロー電池の各層、例えば各電極などは、作製プロセス中の製造時間及び組み立てコストを増加させる。全体的に、液体フローセル及び液体フロー電池の作製に有用な電極材料の材料、プロセス及び／又は組み立てコストを低減する必要がある。
【００２１】
本開示の実施形態において、液体フローセル又は半セル、例えば陽極半セル及び／又は陰極半セルの従来の固定多孔質電極は、コアシェル微粒子と置き換えてもよく、コアシェル微粒子のシェルの少なくとも一部は導電性金属を含む。コアシェル微粒子は、陽極溶液又は陰極溶液のうちの少なくとも１つに含まれ、どの半セルに含まれているかに応じて、対応する陽極又は陰極として機能する。コアシェル微粒子の導電性金属としては従来の金属を用いることができ、フローセル又はフロー電池のコストを低減することができる。コアシェル微粒子は、レドックス活性種の導電性、並びに酸化及び還元反応に利用可能な面積を最大にするために、大きい表面−体積比を有することができる。これは、非常に薄い微粒子、例えば薄片、及び／又は微小な球状若しくは長球状の微粒子を用いることによって実現され得る。大きい表面−体積比を有するコアシェル微粒子を使用することで、液体フローセル又は液体フロー電池の充放電速度の向上をもたらすことができる。
【００２２】
従来の固体金属微粒子を、陽極及び／又は陰極微粒子として使用することの潜在的な１つの問題は、特に、陽極液及び陰極液がセル又は電池を流れ抜けないとき、又は陽極液及び陰極液が対応する貯蔵タンクに含有されて、流速が動作中でさえ低いときに、陽極液及び陰極液の電解質に対する微粒子の高い密度のために微粒子が電解質中で沈降して、電解質中で均一に分散しなくなることである。低密度の微粒子を陽極及び／又は陰極微粒子として使用することの別の潜在的な問題は、微粒子が電解質中で浮かび、電解質全体で均一に分散しなくなり得ることである。これらの問題を回避するために、コアシェル微粒子を使用することによって、微粒子の密度が陽極液又は陰極液の電解質の密度と同等又は同じになるように、微粒子の密度を変更することが可能となる。コアシェル微粒子の密度は、コア及びシェルの両方を構成する材料の選択（通常、異なる密度に選定される）、並びに、コアシェル微粒子に使用されるコア及びシェルの質量又は体積などの量によって変化し得る。コアシェル微粒子の密度は、次式に従って変化させてもよい。
Ｄｐ＝（Ｍｃ＋Ｍｓ）／（Ｖｃ＋Ｖｓ）＝（ＶｃＤｃ＋ＶｓＤｓ）／（Ｖｐ）
式中、
Ｄｐ：コアシェル微粒子の密度（例えば、ｇ／ｃｍ３単位）
Ｄｃ：コアシェル微粒子のコアの密度（例えば、ｇ／ｃｍ３単位）
Ｄｓ：コアシェル微粒子のシェルの密度（例えば、ｇ／ｃｍ３単位）
Ｍｃ：コアシェル微粒子のコアの質量（例えば、ｇ単位）
Ｍｓ：コアシェル微粒子のシェルの質量（例えば、ｇ単位）
Ｖｃ：コアシェル微粒子のコアの体積（例えば、ｃｍ３単位）
Ｖｓ：コアシェル微粒子のシェルの体積（例えば、ｃｍ３単位）
Ｖｐ：コアシェル微粒子のシェルの体積（例えば、ｃｍ３単位）
Ｖｐ＝Ｖｃ＋Ｖｓ
【００２３】
コアシェル微粒子の密度が陽極液又は陰極液の電解質の密度に近づくにしたがって、微粒子はより中立的に浮揚し、電解質中に沈降する（コアシェル微粒子の密度が陽極液又は陰極液の電解質の密度より大きい場合）か、又は電解質中に浮遊する（コアシェル微粒子の密度が陽極液又は陰極液の電解質の密度未満の場合）傾向が小さくなる。電解質中に沈降する微粒子、又は電解質中に浮遊する微粒子といったこれらの課題は、コアシェル微粒子を使用することによって解決し得る。コアシェル微粒子は、陽極液及び／又は陰極液の電解質の密度と同様又は同一となるように調整されている。本開示のコアシェル微粒子は概ね、金属などのより高い密度のシェルとの組み合わせに使用する、固体ポリマー粒子又はセラミックバブルなどのより低い密度のコアを有し、微粒子が含有されることになる電解質の密度と同様の密度を実現する。
【００２４】
本開示は、液体フロー電池の電極溶液を提供する。この電極溶液は、ｉ）液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅを有する電解質と、ｉｉ）コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、シェルの少なくとも一部が導電性の第１の金属を含む、コアシェル微粒子と、を含み、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、導電性の第１の金属とは異なる要素である。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の密度Ｄｐは、０．８Ｄｅ以上１．２Ｄｅ以下（０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅ）、０．９Ｄｅ以上１．１Ｄｅ以下（０．９Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．１Ｄｅ）、０．９５Ｄｅ以上１．０５Ｄｅ以下（０．９５Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０５Ｄｅ）、又は更には０．９７Ｄｅ以上１．０３Ｄｅ以下（０．９７Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０３Ｄｅ）であってよい。電解質の密度Ｄｅ、及びコアシェル微粒子の密度Ｄｐは、当技術分野の公知の技術で決定することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、イリジウム、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、タンタル、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、ガリウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つである。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種のうちの第１のレドックス活性種は、第２の金属を含む。第１のレドックス活性種の第２の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、イリジウム、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つであってもよい。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子は、金属化セラミック粒子、金属化セラミックバブル、金属化薄片セラミック、金属化セラミックロッド、金属化ポリマー粒子、金属化ポリマーバブル、金属化薄片ポリマー、及び金属化ポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態において、電解質の液体媒体は水性液体媒体であってもよく、他の実施形態において、電解質の液体媒体は非水性液体媒体であってもよい。いくつかの実施形態において、電解質は、少なくとも１つのレドックス活性種の化学組成とは異なる化学組成を有する、少なくとも部分的に溶解する塩を更に含む。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満である。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位よりも大きい。いくつかの実施形態において、第１のレドックス活性種の低酸化状態はゼロであってよく、他の実施形態において、第１のレドックス活性種の低酸化状態はゼロよりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、第１のレドックス活性種及び／又は導電性の第１の金属の低酸化状態は、０、１＋、２＋、又は３＋であってよい。いくつかの実施形態において、第１のレドックス活性種及び／又は導電性の第１の金属の高酸化状態は、１＋、２＋、３＋、４＋、又は５＋であってよい。いくつかの実施形態において、コアは、少なくとも１つの誘電性材料を含む。いくつかの実施形態において、コアは、ポリマー粒子、ポリマーバブル、ポリマーロッド、薄片ポリマー、セラミック粒子、セラミックバブル、セラミックロッド、及び薄片セラミックのうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の最大寸法は、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロン、又は更には約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロンである。コアシェル微粒子の最大寸法は、コアシェル微粒子の長さと見なすことができる。
【００２６】
本開示において、コアシェル微粒子は、例えば内部部分のコアと、例えば外部部分のシェルとを含む。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子のコアは、化学組成及び形態のうちの少なくとも１つが、シェルとは異なる。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子のコアの化学組成が、シェルの化学組成とは異なる。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子のコアの形態が、シェルの形態とは異なる。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子のコアは、化学組成及び形態が、シェルの化学組成及び形態とは異なる。図２Ａは、本開示の例示的な一実施形態による、例示的なコアシェル微粒子２００ａの概略断面図である。コアシェル微粒子２００ａは、コア外面２１０ａを有するコア２１０、並びに外面２２０ａ及び内面２２０ｂを有するシェル２２０を含む。コアシェル微粒子の最外層は、コアシェル微粒子のシェルであると見なされる。微粒子のコアは、複数層すなわち多層コアであってもよい。
【００２７】
図２Ｂは、本開示の例示的な一実施形態による、例示的なコアシェル微粒子２００ｂの概略断面図である。コアシェル微粒子２００ｂは、外面２１０ａを有する二重層コアなどの多層コア２１０と、外面２２０ａ及び内面２２０ｂを有するシェル２２０とを含む。コア２１０は、コア外面２１０ａ’及びコア内面２１０ｂ’を有する第１のコア層２１０’と、コア外面２１０ａ’’を有する第２のコア層２１０’’とを含む。多層コアにおけるコア層の数は特に限定されない。多層コアの密度は、直接計測してもよく、又はコアの各層を構成する材料の質量及び体積に基づいて計算してもよい。いくつかの実施形態において、多層コアは、少なくとも２つのコア層、少なくとも３つのコア層、又は更には少なくとも４つのコア層を含む。
【００２８】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、シェル２２０はコア２１０を完全にカプセル化する。例えばシェル２２０は、コア２１０のコア外面２１０ａを完全にカプセル化する。しかし、これは必要条件ではなく、シェル２２０はコア２１０を部分的にのみにカプセル化してもよい。例えばシェル２２０は、コア２１０の外面２１０ａを部分的にのみカプセル化してもよい（図２Ａでは示さず）。いくつかの実施形態において、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、又は更には少なくとも約１００％のコア外面２１０ａが、シェル２２０によってカプセル化される。一般的に、シェル内面２２０ｂは、コア外面２１０ａと接触することになる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、コア２１０は中実微粒子、例えば中実セラミック粒子又は中実ポリマー粒子であってよい。コアが多層コアである場合、コアの各層は固体、例えば固体セラミック、固体ポリマー、又はそれらの組み合わせであってよく、コアは中実微粒子であってもよい。いくつかの実施形態において、コア又は多層コアの内部領域は、人工的な空隙に置き換えてもよい。人工的な空隙は、材料中に存在するように特に設計された空隙である。例えば、図２Ｂの第２のコア層２１０’’は、例えばコア２１０がセラミックバブル又はポリマーバブルである場合に見られるような、人工的な空隙に置き換えてもよい。人工的な空隙はガスを含んでもよい。いくつかの実施形態において、コアは複数の人工的な空隙も含み得る。例えばコアは連続気泡発泡体又は独立気泡発泡体であってもよい。いくつかの実施形態において、コアの人工的な空隙の体積は、約９５体積％未満、約９０体積％未満、約８０体積％未満、約７０体積％未満、約６０体積％未満、約５０体積％未満、約４０体積％未満、約３０体積％未満、約２５体積％未満、約２０体積％未満、約１５体積％未満、約１０体積％未満、約５体積％未満、又は更には約３体積％未満である。いくつかの実施形態において、コアは人工的な空隙を実質的に含まず、すなわち人工的な空隙の体積は約０体積％である。この場合、コアは中実コアと見なされる。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の人工的な空隙の体積は、約９０体積％未満、約８０体積％未満、約７０体積％未満、約６０体積％未満、約５０体積％未満、約４０体積％未満、約３０体積％未満、約２５体積％未満、約２０体積％未満、約１５体積％未満、約１０体積％未満、約５体積％未満、又は更には約３体積％未満である。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子は人工的な空隙を実質的に含まず、すなわちコアシェル微粒子の人工的な空隙の体積は約０体積％である。この場合、コアシェル微粒子は中実なコアシェル微粒子であると見なされる。いくつかの実施形態において、コア及びコアシェル微粒子は非人工的な空隙、すなわちコア及びコアシェル微粒子の作製に関連付けられた空隙の少量の体積割合であるが、意図的にコア又はコアシェル微粒子に組み込まれたものではない空隙を含有し得る。コア又はコアシェル微粒子のうちのいずれかの中の非人工的な空隙の空隙体積は、約５体積％未満、約３体積％未満、約１体積％未満、約０．５体積％未満、又は更には約０体積％であってよい。少なくとも１つの人工的な空隙を含まないコア又はコアシェル微粒子は、中実微粒子、例えば中実粒子と見なされる。
【００３０】
コア又はコアシェル微粒子の形状は、特に限定されない。例えば長球体及び球体などの形状の粒子、例えばプレート状の形状の薄片、及びロッド形状のコアシェル微粒子は、電極溶液の粘度を調整しながら大きい表面積をもたらすために有用であり得る。一般的に、コアシェル微粒子が溶液の粘度に及ぼす効果は、その最長寸法に依存するので、本開示の電極溶液の粘度は、コアシェル微粒子の形状の選択に基づいて改変され得る。
【００３１】
粒子形状の微粒子は、一般的に、長さ対幅のアスペクト比及び長さ対厚さのアスペクト比が共に約１〜約５である微粒子を含む。球形状の微粒子は、長さ対幅のアスペクト比及び長さ対厚さのアスペクト比が共に１となる。粒子は、球形状を含む長球形状であってもよい。
【００３２】
薄片状の微粒子は、一般的に、長さ及び幅の各々が薄片の厚さよりも大幅に大きい微粒子を含む。薄片は、長さ対厚さのアスペクト比及び幅対厚さのアスペクト比の各々が、約５よりも大きい微粒子を含む。薄片の長さ対厚さ、及び幅対厚さのアスペクト比に関する特定の上限はない。薄片の長さ対厚さ、及び幅対厚さのアスペクト比は共に、約６〜約１０００、約６〜約５００、約６〜約１００、約６〜約５０、約６〜約２５、約１０〜約１０００、約１０〜約５００、１０〜約１５０、１０〜約１００、又は更には約１０〜約５０であってもよい。薄片は血小板の形状であってもよい。
【００３３】
ロッド形状の微粒子は、一般的に、長さ対幅、及び長さ対厚さのアスペクト比が共に約５より大きく、幅対厚さのアスペクト比が約５未満かつ約１より大きい微粒子を含む。円形の形状である断面積を有するロッドの場合、幅及び厚さは同一であり、円形断面の直径に等しくなる。ロッド形状の微粒子の、長さ対幅、及び長さ対厚さのアスペクト比には特定の上限はない。ロッドの長さ対厚さ、及び長さ対幅のアスペクト比は共に、約５〜約５００、約５〜約２５０、約５〜約１００、約５〜約５０、約１０〜約５００、約１０〜約２５０、約１０〜約１００、約１０〜約５０、２０〜約５００、２０〜約２５０、２０〜約１００、又は更には約２０〜約５０であってよい。いくつかの実施形態において、ロッドの厚さと幅とは、同一であってもよい。
【００３４】
コアシェル微粒子の寸法は、使用されることになる液体フローセル及び液体フロー電池の寸法に関する以外、特に限定されない。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の最大寸法、例えば長さは、約０．０１ミクロン〜約２０００ミクロン、約０．０１ミクロン〜約１０００ミクロン、約０．０１ミクロン〜約７５０ミクロン、約０．０１ミクロン〜約５００ミクロン、約０．０１ミクロン〜約２５０ミクロン、約０．０１ミクロン〜約１５０ミクロン、約０．０１ミクロン〜約１００ミクロン、約０．０５ミクロン〜約２０００ミクロン、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロン、約０．０５ミクロン〜約７５０ミクロン、約０．０５ミクロン〜約５００ミクロン、約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロン、約０．０５ミクロン〜約１５０ミクロン、約０．０５ミクロン〜約１００ミクロン、約０．１ミクロン〜約２０００ミクロン、約０．１ミクロン〜約１０００ミクロン、約０．１ミクロン〜約７５０ミクロン、約０．１ミクロン〜約５００ミクロン、約０．１ミクロン〜約２５０ミクロン、約０．１ミクロン〜約１５０ミクロン、約０．１ミクロン〜約１００ミクロン、約０．５ミクロン〜約２０００ミクロン、約０．５ミクロン〜約１０００ミクロン、約０．５ミクロン〜約７５０ミクロン、約０．５ミクロン〜約５００ミクロン、約０．５ミクロン〜約２５０ミクロン、約０．５ミクロン〜約１５０ミクロン、約０．５ミクロン〜約１００ミクロン、約５ミクロン〜約２０００ミクロン、約５ミクロン〜約１０００ミクロン、約５ミクロン〜約７５０ミクロン、約５ミクロン〜約５００ミクロン、約５ミクロン〜約２５０ミクロン、約５ミクロン〜約１５０ミクロン、又は更には約５ミクロン〜約１００ミクロンである。
【００３５】
コアシェル微粒子の粒径分布は特に限定されない。いくつかの実施形態において、粒径分布は狭く、分布中の多くの粒子は同様のサイズを有する。同様のサイズを有する粒子は、同様のシェル厚さを有し得る。これは、酸化反応を介して、粒子を金属シェルから一様に剥離させることを可能にし、及び／又は、還元反応を介して金属を一様に被せることができ、セル及び電池の性能を向上させ得る。粒子の集合における粒径分布の１つの尺度は、Ｄ９０／Ｄ５０比である。Ｄ５０は、分布の粒子の半分すなわち５０％がこの径値を下回る、粒子分布の径である。Ｄ９０は、分布の粒子の９０％がこの径値を下回る、粒子分布の径である。いくつかの実施形態において、Ｄ９０／Ｄ５０は、約１．０〜約３．０、約１．０〜約２．０、約１．０〜約１．８、約１．０〜約１．６、約１．０〜約１．４、約１．０〜約１．２、約１．０５〜約３．０、約１．０５〜約２．０、約１．０５〜約１．８、約１．０５〜約１．６、約１．０５〜約１．４、約１．０５〜約１．２、約１．１〜約３．０、約１．１〜約２．０、約１．１〜約１．８、約１．１〜約１．６、約１．１〜約１．４、又は更には約１．１〜約１．２であってよい。Ｄ５０及びＤ９０の値を含む粒径及び粒径分布は、例えば、光散乱のように、当技術分野で公知である技術によって測定することができる。
【００３６】
コアシェル微粒子の密度Ｄｐは、コア及びシェルに使用される材料のタイプ及び量、並びに１つ以上の人工的な空隙を含むかどうかによって決定される。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子の密度は、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．３ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、又は更には約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３である。
【００３７】
コアシェル微粒子のシェルは、導電性金属を含む。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子のシェルは、限定ではないが、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム、モリブデン、イリジウム、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、タンタル、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、ガリウム、バリウム、セリウム、カドミウム、及びカリウムのうちの少なくとも１つを含む。金属の組み合わせを用いてもよい。コアシェル微粒子のシェルは、金属合金であってもよい。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子は、開示した金属のうちの少なくとも２つの合金である。
【００３８】
コアシェル微粒子のコアは、導電性金属のような金属、例えばセラミック又はポリマーのような誘電体のうちの、少なくとも一方を含むことができる。いくつかの実施形態において、コアは、セラミック及びポリマーのうちの少なくとも一方を含む。コアには金属の組み合わせを用いてもよく、コアには誘電体を組み合わせてもよく、コアには金属と誘電体との組み合わせを用いてもよい。コアは、コアシェル微粒子のシェルのために上記で開示した金属を含むことができる。いくつかの実施形態において、コアは金属を実質的に含まない。実質的に含まないということは、コアが、約０重量％〜約５重量％、約０重量％〜約３重量％、約０重量％〜約２重量％、約０重量％〜約１重量％、約０重量％〜約０．５重量％、又は更には約０重量％〜約０．１重量％の金属を含有することを意味する。
【００３９】
コアはポリマーを含むことができる。コアは、熱可塑性物質及び熱硬化性物質のうちの少なくとも一方を含み得る。コアは、当技術分野で公知であるポリマーを含み得る。コアは、限定ではないが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン、ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、例えばポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン、例えばスチレン−ブタジエン−スチレンなどのスチレン並びにスチレン系ランダムコポリマー及びブロックコポリマー、ポリ塩化ビニル、並びに、例えばポリフッ化ビニリデン及びポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素化ポリマー類、のうちの少なくとも１つを含んでよい。コアは、ポリマー複合体及びポリマーブレンドなど、異なるポリマーの組み合わせを含み得る。
【００４０】
コアはセラミックを含み得る。セラミックスとして、例えば、酸化ケイ素（ガラス及びドープガラス）、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化チタンなどの金属酸化物と、炭化ホウ素及び炭化チタンなどの炭化物と、窒化ホウ素などの窒化物とを挙げることができるが、これらに限定されない。
【００４１】
いくつかの実施形態において、コアは、セラミック粒子、セラミックバブル、薄片セラミック、セラミックロッド、ポリマー粒子、ポリマーバブル、薄片ポリマー、及びポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子は、金属化セラミック粒子、金属化セラミックバブル、金属化薄片セラミック、金属化セラミックロッド、金属化ポリマー粒子、金属化ポリマーバブル、金属化薄片ポリマー、及び金属化ポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含み、組み合わせを用いてもよい。コアを金属化するために使用する金属は、上記で開示した、シェルについて説明した導電性金属のうちの少なくとも１つを含んでよい。コアの金属化は、電気めっき、化学的蒸着、物理的蒸着を含む、当技術分野で公知の技術によって実行することができるが、これらに限定されない。コアを金属化する１つの好適な方法は、マグネトロンスパッタを含む物理的蒸着を用いることである。有用なコアシェル微粒子、及びコアシェル微粒子を作製するための技術は、例えば、その全体が本明細書に参照として組み込まれている、米国特許第４，６１２，２４２号、及び同第７，７２７，９３１号で開示されている。
【００４２】
電極溶液中のコアシェル微粒子の量は、特に限定されない。電極溶液中のコアシェル微粒子の量は、約５体積％〜約７０体積％、約５体積％〜約６０体積％、約５体積％〜約５０体積％、約５体積％〜約４０体積％、約５体積％〜約３０体積％、約１０体積％〜約７０体積％、約１０体積％〜約６０体積％、約１０体積％〜約５０体積％、約１０体積％〜約４０体積％、約１０体積％〜約３０体積％、約１５体積％〜約７０体積％、約１５体積％〜約６０体積％、約１５体積％〜約５０体積％、約１５体積％〜約４０体積％、約１５体積％〜約３０体積％、約２０体積％〜約７０体積％、約２０体積％〜約６０体積％、約２０体積％〜約５０体積％、約２０体積％〜約４０体積％、又は更には約２０体積％〜約３０体積％であってよい。
【００４３】
電極溶液の電解質は、液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含む。電極溶液の電解質は、当技術分野、特に液体レドックスフロー電池などの液体フロー電池の技術分野で公知である、任意の電解質を含むことができる。電解質の液体媒体は、水性液体媒体又は非水性液体媒体であってもよい。水性液体媒体の一部として若しくは非水性液体媒体として有用な溶媒、又は溶媒の部分は、限定ではないが、アルコール（例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール）、エーテル（例えばクラウンエーテル、ＴＨＦ、エチルエーテル）、ケトン（例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルｎ−プロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソアミルケトン）、エステル（例えば酢酸エチル、ｎ−酢酸ブチル）、カーボネート（例えば炭酸プロピレン）、ニトリル（例えばアセトニトリル）、アミン（例えばエチレンジアミン、プロピルアミン）、アミド（例えばジメチルアセトアミド、メタンアミド、ｎ−メチルホルムアミド、ｎ−エチルホルムアミド、ｎ，ｎ−ジメチルホルムアミド、ｎ，ｎ−ジエチルホルムアミド）、スルホキシド（例えばジメチルスルホキシド）、ピロリドン（例えばｎ−メチル−２−ピロリドン）、イミダゾリドン（例えば１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン）、ピリジン、ハロゲン化溶媒（例えばジクロロメタン、二塩化エチレン）、有機酸（例えば酢酸）、及び無機酸（例えば硫酸、硝酸及びリン酸）を含む無機酸、のうちの少なくとも１つを含む。溶媒の組み合わせを水性液体媒体及び非水性液体媒体中で使用してもよい。いくつかの実施形態において、水性液体媒体は、少なくとも４０重量％の水、少なくとも５０重量％の水、少なくとも６０重量％の水、少なくとも７０重量％の水、少なくとも８０重量％の水、少なくとも９０重量％の水、少なくとも９５重量％の水、少なくとも９９重量％の水、又は更には１００重量％の水を含む。いくつかの実施形態において、非水性液体媒体は、６０重量％より多い溶媒、７０重量％より多い溶媒、８０重量％より多い溶媒、９０重量％より多い溶媒、９５重量％より多い溶媒、９９重量％より多い溶媒、又は更には約１００重量％の溶媒を含む。
【００４４】
電解質の少なくとも１つのレドックス活性種は、当技術分野、特に液体レドックスフロー電池などの液体フロー電池の技術分野で公知である、任意のレドックス活性種を含み得る。少なくとも１つのレドックス活性種は、有機であっても無機であってよいが、無機が好ましい。レドックス反応種は、その標準的な還元電位によって分類することができる。レドックス活性種の標準還元電位は、例えば、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ社の「ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」９６版、又はＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ社の「ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」７６版における、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｅｒｉｅｓ」の説明において見出すことができる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種は、金属、例えば第２の金属を含む。いくつかの実施形態において、レドックス活性種の第２の金属は遷移金属である。いくつかの実施形態において、レドックス活性種の第２の金属は、少なくとも２つの正の酸化状態を有する遷移金属、例えば２＋又は３＋の酸化状態のいずれかで有り得る銅である。いくつかの実施形態において、第１のレドックス活性種の第２の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、イリジウム、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つであってもよい。レドックス活性種は、最初に塩の形態であってもよい。液体媒体に加えられた塩は、次に少なくとも一部が溶解して、液体媒体の中で、レドックス活性種をイオンとして遊離させることができる。レドックス活性種を含む塩は、液体媒体中で少なくとも部分的に溶解したときに、液体媒体の導電性を増加させるイオンを形成することによって、電解質を形成することができる。いくつかの実施形態において、レドックス活性種は液体媒体の中で、少なくとも約５０重量％、少なくとも約６０重量％、少なくとも約７０重量％、少なくとも約８０重量％、少なくとも約９０重量％、少なくとも約９５重量％、少なくとも約９８重量％、又は更には１００重量％溶解する。
【００４５】
レドックス活性種は、レドックスフロー電池化学の技術分野で公知のものであってよい。本開示のいくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種は、例えば、Ｖ３＋／Ｖ２＋硫酸塩溶液が負の電解質（「陽極液」）として機能し、Ｖ５＋／Ｖ４＋硫酸塩溶液が正の電解質（「陰極液」）として機能するバナジウムレドックスフロー電池（ＶＲＦＢ）と関連付けられてよい。バナジウムはレドックス活性種である。しかしながら、他のレドックス化学が想定され、本開示の範囲内であり、Ｖ２＋／Ｖ３＋対Ｂｒ−／ＣｌＢｒ２、Ｂｒ２／Ｂｒ−対Ｓ／Ｓ２−、Ｂｒ−／Ｂｒ２対Ｚｎ２＋／Ｚｎ、Ｃｅ４＋／Ｃｅ３＋対Ｖ２＋／Ｖ３＋、Ｆｅ３＋／Ｆｅ２＋対Ｂｒ２／Ｂｒ−、Ｍｎ２＋／Ｍｎ３＋対Ｂｒ２／Ｂｒ−、Ｆｅ３＋／Ｆｅ２＋対Ｔｉ２＋／Ｔｉ４＋及びＣｒ３＋／Ｃｒ２＋の酸性／塩基性化学が含まれるが、これらに限定されないことを理解するべきである。液体フロー電池に有用である、他の化学及び関連したレドックス活性種は、例えば米国特許出願公開第２０１４／００２８２６０号、同第２０１４／００９９５６９号、及び同第２０１４／０１９３６８７号で開示されている配位化学と、例えば米国特許出願公開第２０１４／３７０４０３号、及び特許協力条約下で国際出願公開されたＷＯ２０１４／０５２６８２号で開示されている有機物複合体とを含み、これらは全て本明細書に参照として組み込まれている。
【００４６】
電解質中の少なくとも１つのレドックス活性種の濃度は特に限定されない。電解質中の少なくとも１つのレドックス活性種の濃度は、約０．０５モル／リットル（Ｍ）〜約５Ｍ、約０．０５Ｍ〜約４Ｍ、約０．０５Ｍ〜約３、約０．０５Ｍ〜約２Ｍ、約０．０５Ｍ〜約１Ｍ、約０．１Ｍ〜約５Ｍ、約０．１Ｍ〜約４Ｍ、約０．１Ｍ〜約３、約０．１Ｍ〜約２Ｍ、約０．１Ｍ〜約１Ｍ、約０．２Ｍ〜約５Ｍ、約０．２Ｍ〜約４Ｍ、約０．２Ｍ〜約３Ｍ、約０．２Ｍ〜約２Ｍ、約０．２Ｍ〜約１Ｍ、約０．５Ｍ〜約５Ｍ、約０．５Ｍ〜約４Ｍ、約０．５Ｍ〜約３、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、又は更には約０．５Ｍ〜約１Ｍであってよい。
【００４７】
電極溶液中の少なくとも１つのレドックス活性種の濃度は、特に限定されない。電解溶液中の少なくとも１つのレドックス活性種の濃度は、約０．０２Ｍ〜約５Ｍ、約０．０２Ｍ〜約４Ｍ、約０．０２Ｍ〜約３、約０．０２Ｍ〜約２Ｍ、約０．０２Ｍ〜約１Ｍ、約０．０５Ｍ〜約５Ｍ、約０．０５Ｍ〜約４Ｍ、約０．０５Ｍ〜約３、約０．０５Ｍ〜約２Ｍ、約０．０５Ｍ〜約１Ｍ、約０．１Ｍ〜約５Ｍ、約０．１Ｍ〜約４Ｍ、約０．１Ｍ〜約３、約０．１Ｍ〜約２Ｍ、約０．１Ｍ〜約１Ｍ、約０．２Ｍ〜約５Ｍ、約０．２Ｍ〜約４Ｍ、約０．２Ｍ〜約３、約０．２Ｍ〜約２Ｍ、約０．２Ｍ〜約１Ｍ、約０．５Ｍ〜約５Ｍ、約０．５Ｍ〜約４Ｍ、約０．５Ｍ〜約３、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、又は更には約０．５Ｍ〜約１Ｍであってよい。
【００４８】
電解質は、少なくとも１つのレドックス活性種を含まず、少なくとも部分的に溶解する塩を更に含有してもよい。塩は通常はイオン種を含み、イオン種は一旦電解質の液体媒体中に溶解すると、電解質の電気伝導率を増加させる。しかし、塩の構成成分は、電解質の少なくとも１つのレドックス活性種に対してレドックス活性でなくてもよく、又は電解質の少なくとも１つのレドックス活性種よりも低いレドックス活性を有してもよい。少なくとも１つのレドックス活性種に対する、塩のイオン構成成分のレドックス活性は、対応する標準還元電位から、及び陽極半セル又は陰極半セルのいずれの一部になるかによって決定することができる。
【００４９】
電解質は、粘度調整剤、粒子安定剤、界面活性剤、キレート剤、媒介物質、及びそれらの組み合わせを含む、当技術分野で公知である他の添加剤を含有し得るが、これらに限定されない。
【００５０】
いくつかの実施形態において、電解質は、コアシェル微粒子を除く不溶性化合物を実質的に含まない。不溶性化合物は、意図的に加えられる場合もあり、又は電解質を製造するために使用される任意の構成成分中の不純物を介して、意図せずに電解質に加えられる場合もある。当技術分野で公知である様々な濾過技術は、大きい割合の不溶性化合物を取り除くことができる。例えば、不溶性化合物の７０重量％より多く、８０重量％より多く、９０重量％より多く、９５重量％より多く、又は更には９８重量％より多くを、濾過によって取り除くことができる。「実質的に不溶性化合物を含まない」というフレーズは、電解質が、コアシェル微粒子を除く不溶性化合物を、約２０重量％未満、約１０重量％未満、約５重量％未満、約３重量％未満、約１重量％未満、約０．５重量％未満、又は更には約０．１重量％未満含有することを意味する。
【００５１】
電解質の密度Ｄｅは特に限定されない。いくつかの実施形態において、電解質の密度は、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．６ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．４ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．６５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３、又は更には約０．９０ｇ／ｃｍ３〜約１．２ｇ／ｃｍ３である。
【００５２】
本開示の電極溶液は、少なくとも１つのレドックス活性種及びコアシェル微粒子を液体媒体に添加し、従来の混合及び／又は当技術分野で公知である分散技術を用いて、溶液を混合することによって調製することができる。少なくとも１つのレドックス活性種及びコアシェル微粒子の、液体媒体への添加順序は、特に限定されない。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのレドックス活性種が液体媒体に添加され、液体媒体が混合された後、コアシェル微粒子が液体媒体に添加され、次いで追加混合される。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子が液体媒体に添加され、液体媒体が混合された後、少なくとも１つのレドックス活性種が液体媒体に添加され、次いで追加混合される。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子及び少なくとも１つのレドックス活性種が液体媒体に添加され、液体媒体が混合される。電極溶液の調整プロセスの任意の時点で追加の添加剤を液体媒体に加えて、その後混合してもよい。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子を液体媒体に添加する前に、追加の添加剤を加えて液体媒体に混合してもよい。
【００５３】
前述したように、電極溶液内のコアシェル微粒子の分散及び／又は分散安定性の向上は、コアシェル微粒子の密度Ｄｐ、及び／又は電解質の密度Ｄｅを工学設計して、同様若しくは同一にすることによって、実現することができる。これは、コアシェル微粒子のコア及びシェルに使用する材料のタイプ及び量の選択を介して、並びに／又は電解質に使用する材料のタイプ及び量の選択を介して達成することができる。いくつかの実施形態において、コアシェル微粒子は、約２．０ｇ／ｃｍ３未満の密度のコアと、及び約２．５ｇ／ｃｍ３より大きい密度で導電性の第１の金属を有するシェルとを含む。いくつかの実施形態において、コアの密度は、約０．０２ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．０２ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．０２ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、約０．０２ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３、約０．０４ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．０４ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．０４ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、約０．０４ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、約０．１ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、約０．２ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、約０．４ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．７５ｇ／ｃｍ３、約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３、又は更には約０．６ｇ／ｃｍ３〜約１．２５ｇ／ｃｍ３であってよく、シェルの密度は、約２．５ｇ／ｃｍ３〜約２４ｇ／ｃｍ３、約２．５ｇ／ｃｍ３〜約２０ｇ／ｃｍ３、約２．５ｇ／ｃｍ３〜約１６ｇ／ｃｍ３、約２．５ｇ／ｃｍ３〜約１２ｇ／ｃｍ３、約４．０ｇ／ｃｍ３〜約２４ｇ／ｃｍ３、約４．０ｇ／ｃｍ３〜約２０ｇ／ｃｍ３、約４．０ｇ／ｃｍ３〜約１６ｇ／ｃｍ３、約４．０ｇ／ｃｍ３〜約１２ｇ／ｃｍ３、約５．５ｇ／ｃｍ３〜約２４ｇ／ｃｍ３、約５．５ｇ／ｃｍ３〜約２０ｇ／ｃｍ３、約５．５ｇ／ｃｍ３〜約１６ｇ／ｃｍ３、又は更には約５．５ｇ／ｃｍ３〜約１２ｇ／ｃｍ３であってよい。
【００５４】
コアシェル微粒子の密度を電解質の密度と一致させ、電極溶液中のコアシェル微粒子の分散及び／又は分散安定性を向上させることに加えて、いくつかの実施形態において、電解質の粘度及び／又は電極溶液の粘度を、電極溶液中のコアシェル微粒子の分散及び／又は分散安定性を向上させるために選択することもできる。より高い粘度は、電解質及び／又は電極溶液中のコアシェル微粒子の分散及び／又は分散安定性を向上させることができる。更に、電解質及び／又は電極溶液はチクソトロピックであってもよい。チクソトロピックな溶液の粘度は、低せん断速度又は低せん断条件下で増加し、高せん断速度又はこのせん断条件下で増加する。これは電極溶液中で望ましい。なぜなら、低せん断の領域、例えば陽極液及び陰極液の貯蔵タンク内では、せん断速度は低く、電極溶液の粘度は実質的に増加し、コアシェル微粒子の分散安定性も増加するからである。高せん断領域、例えばフロープレートのフローチャネル内では、せん断速度が高く、電極溶液の粘度が低くなり、流量が向上する一方で、高せん断速度は、電極溶液中のコアシェル微粒子の分散を維持するのを助ける。
【００５５】
本開示は、電気化学セル、例えば液体フロー電気化学セルとも称され得る液体フローセル、及び液体フロー電池も提供する。液体フロー電池は、１つ以上の電気化学セル、例えば液体フローセルを含み得る。液体フロー電池の各電気化学セルは、陽極半セル及び陰極半セルを含む。本開示は、例えば液体フロー電池などの電池に使用される電気化学セルを提供する。電気化学セルは、本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第１の電極溶液と、陽極半セルと、陰極半セルと、を含み、陽極半セル及び陰極半セルのうちの少なくとも１つは、固定多孔質電極を含有せず、第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される。いくつかの実施形態において、陽極半セル及び陰極半セルの両方は、固定多孔質電極を含有しない。
【００５６】
いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満であり、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陽極であり、第１の電極溶液は陽極半セルに含有され、陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００５７】
いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第１の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００５８】
別の実施形態において、本開示は、本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第１の電極溶液、陽極半セル、及び陰極半セルを含む電気化学セルを提供する。陽極半セル及び陰極半セルのうちの少なくとも１つは、固定多孔質電極を含有せず、第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される。いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満であり、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陽極であり、第１の電極溶液は陽極半セルに含有され、陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない。電気化学セルは、本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第２の電極溶液を更に含み、第２の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第２の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００５９】
更に別の実施形態において、本開示は、本開示の電極溶液のうちのいずれか１つによる第１の電極溶液と、陽極半セルと、陰極半セルと、を含む電気化学セルを提供する。陽極半セル及び陰極半セルのうちの少なくとも１つは固定多孔質電極を含有せず、第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される。第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第１の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００６０】
電気化学セルは、イオン透過膜を含んでいてもよく、イオン透過膜は、第１の電極溶液を電解質から分離する。電気化学セルは、陽極半セルと陰極半セルとの間に配置されたイオン透過膜を含むことができる。いくつかの実施形態において、イオン透過膜はイオン交換膜である。電気化学セルは、陽極フロープレート及び第１の集電体を含んでもよく、陽極フロープレートは、第１の集電体及び第１の電極溶液、及び／又は陰極フロープレート及び第２の集電体と電気的に連通し、陰極フロープレートは、第１の集電体及び第２の電極溶液と電気的に連通している。いくつかの実施形態においては、電気化学セルは、固定多孔質電極を含有しない。いくつかの実施形態において、固定多孔質電極は、第１主面及び反対側の第２主面を有し、第１主面及び第２主面のうちの少なくとも一方の面積は、少なくとも約１ｃｍ２、少なくとも約２ｃｍ２、少なくとも約５ｃｍ２、少なくとも約１０ｃｍ２、又は更には少なくとも約１００ｃｍ２である。
【００６１】
図３は、本開示の例示的な一実施形態による、液体フロー電池（レドックスフロー電池など）の作製に使用され得る、例示的な電気化学セル３００の概略断面図である。電気化学セル３００は、固定多孔質電極４２（陰極）と、陽極及び陰極半セル間に配置され、半セル間に電気絶縁をもたらし、１つ以上の選択イオン種が陽極及び陰極半セル間を通る経路をもたらすイオン透過膜２０と、陽極フロープレート及び陰極フロープレート５０、５２であって、前者はイオン透過膜２０に隣接して配置され、後者は固定多孔質電極４２に隣接して配置され、各々は、第１の電極溶液及び陰極溶液を陽極及び陰極フロープレートそれぞれに入れることができる１つ以上のフローチャネル５５、５５’を含有する、陽極フロープレート及び陰極フロープレートと、を含む。陽極及び陰極フロープレートはそれぞれ、流体入口ポート５１ａ、５３ａ及び流体出口ポート５１ｂ、５３ｂを含む。電気化学セルは、２つの集電体６０、６２も含み、１つはモノポーラ陽極フロープレートなどの陽極フロープレート５０の外面に隣接かつ接触し、１つはモノポーラ陰極フロープレートなどの陰極フロープレート５０’の外面に隣接かつ接触している。集電体は、セル放電中に発生した電子が外部回路に接続、又はロードし、有用な働きをすることを可能にする。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２は、それぞれ第１の表面５０ａ、５２ａを含む。表面５０ａ及び５２ａの少なくとも一部は、それぞれ第１の電極溶液の陽極（コアシェル微粒子）、及び固定多孔質電極４２（陰極）と電気的に連通している。表面５０ａ及び５２ａは、それぞれフローチャネル５５及び５５’を画定する表面を含む。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２も、それぞれ集電体６０及び６２と電気的に連通している。電気化学セルは、第１の電極溶液（図示せず）を含む。第１の電極溶液は、陽極として機能するコアシェル微粒子を含有して、流体ポート５１ａ及び５１ｂを介し、ポンプを使用して陽極フロープレート５０のフローチャネル５５に入れて通すことができる。電気化学セルは、流体ポート５３ａ及び５３ｂを介し、ポンプを使用して陰極フロープレート５２のフローチャネル５５’に入れて通すことができる、従来の陰極液（図示せず）も含み得る。電極溶液は、少なくとも１つのレドックス活性種も含有し、この少なくとも１つのレドックス活性種は、陽極半セル内の陽極として機能する導電性コアシェル微粒子の表面で酸化されることになる。次に、導電性コアシェル微粒子に関連付けられた余剰電子は、陽極フロープレート５０を介して集電体６０に伝導される。この電流は、集電体６２まで、電気負荷を含み得る導電路（図示せず）をたどり、陰極フロープレート５２を介して陰極４２に伝導される。次に、陰極の電子は、陰極液中のレドックス活性種を還元し得る。いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満であり、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陽極であり、第１の電極溶液は陽極半セルに含有され、陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００６２】
図３の例示的な電気化学セルにおいて、陽極半セルは、陽極として機能する電極溶液（図示せず）を含むフロープレート５０を含んでよく、陰極半セルは、従来の陰極液（図示せず）及び固定多孔質電極４２を含有する、フロープレート５２を含むことができる。従来の陰極液は、導電性コアシェル微粒子を含有していなくてもよい。
【００６３】
いくつかの実施形態において、２つ以上のセルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陽極フロープレートはバイポーラプレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちモノポーラプレートであるセル積層体の外部の２つのプレートを伴う。
【００６４】
図４は、本開示の例示的な一実施形態による、液体フロー電池（レドックスフロー電池など）の作製に使用され得る、例示的な電気化学セル４００の概略断面図である。電気化学セル４００は、固定多孔質電極４０（陽極）と、陽極及び陰極半セル間に配置され、半セル間に電気絶縁をもたらし、１つ以上の選択イオン種が陽極及び陰極半セル間を通る経路をもたらすイオン透過膜２０と、陽極フロープレート及び陰極フロープレート５０、５２であって、後者はイオン透過膜２０に隣接して配置され、前者は固定多孔質電極４０に隣接して配置され、各々は、陽極溶液及び第１の電極溶液を陽極及び陰極フロープレートそれぞれに入れることができる１つ以上のフローチャネル５５、５５’を含有する、陽極フロープレート及び陰極フロープレートと、を含む。陽極及び陰極フロープレートはそれぞれ、流体入口ポート５１ａ、５３ａ及び流体出口ポート５１ｂ、５３ｂを含む。電気化学セルは、２つの集電体６０、６２も含み、１つはモノポーラ陽極フロープレートなどの陽極フロープレート５０の外面に隣接かつ接触し、１つはモノポーラ陰極フロープレートなどの陰極フロープレート５０’の外面に隣接かつ接触している。集電体は、セル放電中に発生した電子が外部回路に接続、又はロードし、有用な働きをすることを可能にする。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２は、それぞれ第１の表面５０ａ、５２ａを含む。表面５０ａ及び５２ａの少なくとも一部は、固定多孔質電極４０（陽極）及び第１の電極溶液の陰極（コアシェル微粒子）とそれぞれ電気的に連通している。表面５０ａ及び５２ａは、それぞれフローチャネル５５及び５５’を画定する表面を含む。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２も、それぞれ集電体６０及び６２と電気的に連通している。２つ以上のセルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陰極フロープレートはバイポーラプレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちモノポーラプレートであるセル積層体の外部の２つのプレートを伴う。この例示的な電気化学セルは、第１の電極溶液（図示せず）を含む。第１の電極溶液は、陰極として機能するコアシェル微粒子を含有して、ポート５３ａ及び５３ｂを介し、ポンプを使用して陰極フロープレート５２のフローチャネル５５’に入れて通すことができる。電気化学セルは、流体ポート５１ａ及び５１ｂを介し、ポンプを使用して陽極フロープレート５０のフローチャネル５５に入れて通すことができる、従来の陽極液（図示せず）も含み得る。電極溶液は、少なくとも１つのレドックス活性種も含有し、この少なくとも１つのレドックス活性種は、陰極半セル内の陰極として機能する導電性コアシェル微粒子の表面で還元されることになる。次に、陽極液中のレドックス活性種の酸化を介して形成された、陽極と関連付けられた余剰電子は、陽極フロープレート５０を介して集電体６０に伝導される。次にこの電流は、集電体６２まで、電気負荷を含み得る導電路（図示せず）をたどり、陰極フロープレート５２を介して電極溶液（コアシェル微粒子）の陰極に伝導される。次に、陰極の余剰電子は、電極溶液中のレドックス活性種を還元し得る。いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第１の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない。いくつかの実施形態において、２つ以上のセルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陰極フロープレートはバイポーラプレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちモノポーラプレートであるセル積層体の外部の２つのプレートを伴う。
【００６５】
図４の例示的な電気化学セルにおいて、陽極半セルは、従来の陽極液（図示せず）を含有するフロープレート５０及び固定多孔質電極４０を含んでもよく、陰極半セルは、陰極として機能する電極溶液（図示せず）を含有するフロープレート５２を含んでもよい。従来の陽極液は、導電性コアシェル微粒子を含有していなくてもよい。
【００６６】
図５は、本開示の例示的な一実施形態による、液体フロー電池（レドックスフロー電池など）の作製に使用され得る、例示的な電気化学セル５００の概略断面図である。電気化学セル５００は、各々が１つ以上のフローチャネル５５、５５’をそれぞれ含み、各々が第１の表面５０ａ及び５２ａをそれぞれ有する、陽極及び陰極フロープレート５０及び５２を含む。陽極及び陰極フロープレートは、流体入口ポート５１ａ、５３ａ及び流体出口ポート５１ｂ、５３ｂをそれぞれ含む。陽極及び陰極フロープレート５０及び５２も、集電体６０及び６２とそれぞれ電気的に連通している。電気化学セル５００はまた、陽極として機能するコアシェル微粒子を含有し、流体ポート５１ａ及び５１ｂを介してポンプを使用して陽極フロープレート５０のフローチャネル５５に入れて通すことができる、第１の電極溶液（図示せず）と、陰極として機能するコアシェル微粒子を含有し、流体ポート５３ａ及び５３ｂを介してポンプを使用して陰極フロープレート５２のフローチャネル５５’に入れて通すことができる、第２の電極溶液（図示せず）とを含む。表面５０ａ及び５２ａの少なくとも一部は、第１の電極溶液の陽極（コアシェル微粒子）、及び第２電極溶液の陰極（コアシェル微粒子）とそれぞれ電気的に連通している。表面５０ａ及び５２ａは、フローチャネル５５及び５５’をそれぞれ画定する表面を含む。陽極半セルは、陽極フロープレート５０、及びそこに含有される第１の電極溶液を含んでよく、陰極半セルは、陰極フロープレート５２、及びそこに含有される第２の電極溶液を含んでよい。電気化学セル５００は、陽極半セルと陰極半セルとの間、すなわち陽極フロープレート５０と陰極フロープレート５２との間に配置された、イオン透過膜２０も含み得る。いくつかの実施形態において、２つ以上のセルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陰極フロープレートはバイポーラプレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちセル積層体の外部の、モノポーラプレートである２つのプレートを伴う。
【００６７】
例示的な電気化学セル５００は、陽極として機能するコアシェル微粒子を含有し、流体ポート５１ａ及び５１ｂを介してポンプを使用して陽極フロープレート５０のフローチャネル５５に入れて通すことができる、第１の電極溶液（図示せず）と、流体ポート５３ａ及び５３ｂを介してポンプを使用して陰極フロープレート５２のフローチャネル５５’に入れて通すことができる、第２の電極溶液（図示せず）とを含む。各電極溶液は、少なくとも１つのレドックス活性種も含む。第１の溶液のレドックス活性種は、導電性コアシェル微粒子の表面で酸化されることになり、それは陽極半セルの陽極として機能する。第２の電極溶液のレドックス活性種は、導電性コアシェル微粒子の表面で還元されることになり、それは陰極半セルの陰極として機能する。陽極（第１の電極溶液の導電性コアシェル微粒子）に関連付けられ、第１の電極溶液中のレドックス活性種の酸化を介して形成された余剰電子は、次に、陽極フロープレート５０を介して集電体６０に伝導される。次に、この電流は、集電体６２まで、電気負荷を含み得る導電路（図示せず）をたどり、陰極フロープレート５２を介して陰極（第２の電極溶液の導電性コアシェル微粒子）に伝導される。次に、陰極の余剰電子は、第２の電極溶液のレドックス活性種を還元し得る。
【００６８】
いくつかの実施形態において、第１の電極溶液の、少なくとも１つレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属とは、各々が高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満であり、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陽極であり、第１の電極溶液は陽極半セルに含有され、陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない。第２の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属とは、各々が高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位よりも大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第２の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない。
【００６９】
いくつかの実施形態において、レドックスフロー電池は、本開示の電気化学セルのいずれかによる、（電気化学セル積層体を形成する）複数の電気化学セルを含み得る。前述したように、２つ以上の電気化学セルを含むセル積層体において、内部の陽極及び陰極フロープレート（セル積層体の内部のフロープレート）は、バイポーラフロープレートであってもよく、陽極及び陰極エンドプレートすなわちセル積層体の外部の、モノポーラプレートである２つのプレートを伴う。複数の電気化学セルは、例えば図３〜図５のいずれか１つに示される実施形態のうちのいずれか１つなどの、同一の陽極半セル及び陰極半セルの設計を有し得る。いくつかの実施形態において、陽極半セル及び陰極半セルの設計は電気化学セル同士間で異なってもよく、例えば、図３〜図５に示される実施形態の組み合わせが複数の電気化学セルに使用されてもよい。図６は、本開示の例示的な一実施形態による、例示的な電気化学セル積層体６００の概略側断面図である。電気化学セル積層体６００は、バイポーラプレート５０’’と、各々がフローチャネル５５及び５５’を有するエンドプレート５０及び５０’とを含む。バイポーラプレート５０’’は、例えば、導電性コアシェル微粒子の陽極を有する従来の陽極液又は電極溶液が、チャネル５５の１つのセットを流れ通るのを可能にし、例えば導電性コアシェル微粒子の陰極を有する従来の陰極液又は電極溶液が、チャネル５５’の第２のセットを流れ通るのを可能にする。例示的な電気化学セル積層体６００は、各々が図４で説明した単一の電気化学セルと同様の設計を有する、複数の電気化学セルを含むが、例えばモノポーラ陽極及び陰極フロープレートをバイポーラフロープレートに置き換えるなど、内部セルの陽極及び陰極フロープレートの設計に僅かな変更を伴う。各電気化学内部セルは、２つの隣接したバイポーラプレート５０’’の２つの半分を含む、陽極及び陰極半セルを含む。陽極半セルは、フローチャネル５５を伴うバイポーラプレートの一部を含み、陰極半セルは、フローチャネル５５’を伴う隣接したバイポーラプレートの一部を含む。陽極半セルである電気化学セルは、流体入口及び出口ポート（図示せず）並びに固定多孔質電極４０を介して、ポンプを使用してバイポーラフロープレート５０’’のフローチャネル５５に入れて通すことができる、従来の陽極液（図示せず）を含んでもよい。陰極半セルである電気化学セルは、第１の電極溶液（図示せず）を含む。第１の電極溶液は、陰極として機能するコアシェル微粒子を含有して、流体入口及び出口ポート（図示せず）を介し、ポンプを使用してバイポーラフロープレート５２のフローチャネル５５’に入れて通すことができる。電気化学セルは、陽極半セルと陰極半セルとの間に配置されたイオン透過膜２０を含んでもよく、イオン透過膜２０は、バイポーラプレート５０’’及び固定多孔質電極４０に隣接する。セル積層体の外部電気化学セルは各々、モノポーラプレート５０及び５０’（これらが内部セルのバイポーラプレートの対応する半分に取って代わる）、及び対応する集電体６０及び６２をそれぞれ含む。図６の電気化学セルは、図３及び図５に関して説明したものを含む、本明細書に開示されている他の任意の電気化学セルに置き換えることができる。図３〜図５の電気化学セルタイプの組み合わせは、複数の電気化学セルを含む電気化学セル積層体内で使用することができる。陽極液及び陰極液の入口及び出口ポート、並びに対応する流体分配システムは、図６には示されない。これらの特徴部は、当技術分野で公知であるものが提供され得る。
【００７０】
別の実施形態において、本開示は、本開示の電気化学セルのうちのいずれかによる、少なくとも１つの電気化学セルを含む液体フロー電池を提供する。図７は、例示的な単セルと、陽極フロープレート５０及び陰極フロープレート５２を含む液体フロー電池７００と、陽極及び陰極フロープレートの間で隣接して配置されたイオン透過膜２０と、集電体６０及び６２と、導電性コアシェル微粒子２０２を有する第１の電極溶液７６を含有する第１の電極溶液リザーバ７０及び分配システム７０’と、導電性コアシェル微粒子２０４を有する第２の電極溶液７８を含有する第２の電極溶液リザーバ７２及び流体分配７２’との、概略図である。流体分配システムのポンプは図示していない。また、例えば前出の図３〜図６における陽極及び陰極フロープレートのフローチャネル５５及び５５’も図示していない。集電体６０及び６２は、電気負荷（図示せず）を含む外部回路に接続してもよい。液体フロー電池７００の単一の電気化学セルは、図５で説明したものと同一であり、本開示の電気化学セル及び／又は電気化学セル積層体のうちのいずれかに置き換えることができる。電気化学セル積層体が使用される場合、流体分配システムは、適切な流体を、セル積層体の陽極及び陰極半セルの各々にもたらすよう改変される。例えば、液体フロー電池７００の単一の電気化学セルは、例えば、図３若しくは図４の電気化学セル、又は例えば図６の電気化学セル積層体に置き換えてもよい。導電性コアシェル微粒子２０２及び２０４は、前述した導電性コアシェル微粒子２００ａ及び２００ｂを含む、本開示の導電性コアシェル微粒子のうちのいずれかであってもよい。単セルの液体フロー電池が図示されているが、液体フロー電池が、複数の電気化学セル、すなわち、セル積層体を含み得ることは、当技術分野において公知である。更に、複数のセル積層体、例えば直列で接続された複数のセル積層体が、液体フロー電池を形成するために使用されてもよい。流れ場が存在してもよいが、これは必要条件ではない。
【００７１】
本開示の電気化学セルのいくつかの実施形態（図３〜図６参照）及び本開示の液体フロー電池（図７参照）は、集電体６０及び６２の外面に隣接して支持プレート（図示せず）を設置してもよい。支持プレートは集電体から電気絶縁され、セルアセンブリ又は電池の圧縮を容易にするために、機械的強度及び支持をもたらす。更に、本開示の集電体は、当技術分野で公知であるものとすることができる。
【００７２】
本開示の選択された実施形態は、以下を含むがそれらに限定されない。
第１の実施形態において、本開示は、
液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅである電解質と、
コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、シェルの少なくとも一部が導電性の第１の金属を含み、０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅである、コアシェル微粒子と、
を含み、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、導電性の第１の金属とは異なる要素であり、任意でコアシェル微粒子のコアは、化学組成及び形態のうちの少なくとも１つが、シェルとは異なる
液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７３】
第２の実施形態において、本開示は、０．９Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．１Ｄｅである、第１の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７４】
第３の実施形態において、本開示は、０．９５Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０５Ｄｅである、第１の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７５】
第４の実施形態において、本開示は、０．９７Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．０３Ｄｅである、第１の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７６】
第５の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、イリジウム、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、タンタル、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、ガリウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つである、第１〜４の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７７】
第６の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種が第２の金属のうちの少なくとも１つを含む、第１〜５の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７８】
第７の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種の第２の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、イリジウム、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つを含む、第６の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００７９】
第８の実施形態において、本開示は、液体媒体が水性液体媒体である、第１〜７の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８０】
第９の実施形態において、本開示は、水性液体媒体が少なくとも９０重量％の水を含む、第８の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８１】
第１０の実施形態において、本開示は、液体媒体が非水性液体媒体である、第１〜７の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８２】
第１１の実施形態において、本開示は、非水性液体媒体が、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、カーボネート、ニトリル、アミン、アミド、スルホキシド、ピロリドン、イミダゾリドン、ピリジン、ハロゲン化溶媒、有機酸、無機酸、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、第１０の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８３】
第１２の実施形態において、本開示は、電解質が少なくとも一部が溶解する塩を更に含み、この塩は少なくとも１つのレドックス活性種を含まない、第１〜１１の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８４】
第１３の実施形態において、本開示は、少なくとも１つのレドックス活性種が、液体媒体中で少なくとも５０重量％溶解する、第１〜１２の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８５】
第１４の実施形態において、本開示は、少なくとも１つのレドックス活性種が、液体媒体中で少なくとも９５重量％溶解する、第１〜１２の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８６】
第１５の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子の最小寸法が、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロンである、第１〜１４の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８７】
第１６の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子の最小寸法が、約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロンである、第１〜１４の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８８】
第１７の実施形態において、本開示は、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満である、第１〜１６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００８９】
第１８の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種の低酸化状態がゼロである、第１７の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９０】
第１９の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種の低酸化状態がゼロより大きい、第１７の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９１】
第２０の実施形態において、本開示は、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きい、第１〜１６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９２】
第２１の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種の低酸化状態がゼロである、第２０の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９３】
第２２の実施形態において、本開示は、第１のレドックス活性種の低酸化状態がゼロより大きい、第２０の実施形態による液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９４】
第２３の実施形態において、本開示は、コアが少なくとも１つの誘電体材料を含む、第１〜２２の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９５】
第２４の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子は、金属化セラミック粒子、金属化セラミックバブル、金属化薄片セラミック、金属化セラミックロッド、金属化ポリマー粒子、金属化ポリマーバブル、金属化薄片ポリマー、及び金属化ポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含む、第１〜２３の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９６】
第２５の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子の最大寸法が、約０．０５ミクロン〜約１０００ミクロンである、第１〜２４の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９７】
第２６の実施形態において、本開示は、コアシェル微粒子の最大寸法が、約０．０５ミクロン〜約２５０ミクロンである、第１〜２４の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９８】
第２７の実施形態において、本開示は、電極溶液の密度が約０．７０ｇ／ｃｍ３〜約１．９ｇ／ｃｍ３である、第１〜２６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【００９９】
第２８の実施形態において、本開示は、電極溶液の密度が約０．７５ｇ／ｃｍ３〜約１．７ｇ／ｃｍ３である、第１〜２６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【０１００】
第２９の実施形態において、本開示は、電極溶液の密度が約０．８０ｇ／ｃｍ３〜約１．５ｇ／ｃｍ３である、第１〜２６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【０１０１】
第３０の実施形態において、本開示は、電極溶液の密度が約０．８５ｇ／ｃｍ３〜約１．３ｇ／ｃｍ３である、第１〜２６の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電極溶液を提供する。
【０１０２】
第３１の実施形態において、本開示は、
第１〜３０の実施形態のいずれか１つによる第１の電極溶液と、
陽極半セルと、
陰極半セルと、
を含み、陽極半セル及び陰極半セルのうちの少なくとも一方は、固定多孔質電極を含有せず、第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される、
液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０３】
第３２の実施形態において、本開示は、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位未満であり、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陽極であり、第１の電極溶液は陽極半セルに含有され、陽極半セルは固定多孔質電極を含有しない、第３１の実施形態による液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０４】
第３３の実施形態において、本開示は、第１の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第１の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない、第３１の実施形態による液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０５】
第３４の実施形態において、本開示は、第１〜３０の実施形態のうちのいずれか１つによる第２の電極溶液を更に含み、第２の電極溶液の、少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種、及びコアシェル微粒子の導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある導電性の第１の金属の還元電位より大きく、コアシェル微粒子の導電性の第１の金属は陰極であり、第２の電極溶液は陰極半セルに含有され、陰極半セルは固定多孔質電極を含有しない、第３２の実施形態による液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０６】
第３５の実施形態において、本開示は、
第１の集電体及び第１の電極溶液と電気的に連通している、陽極フロープレート及び第１の集電体と、
第２の集電体及び第２の電極溶液と電気的に連通している、陰極フロープレート及び第２の集電体と、
を更に含む、第３４の実施形態による液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０７】
第３６の実施形態において、本開示は、陽極半セルと陰極半セルとの間に配置された、イオン透過膜を更に含む、第３１〜３５の実施形態のいずれか１つによる液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０８】
第３７の実施形態において、本開示は、イオン透過膜がイオン交換膜である、第３６の実施形態による液体フロー電池の電気化学セルを提供する。
【０１０９】
第３８の実施形態において、本開示は、第１〜第３０の実施形態のいずれか１つによる第１の電極溶液を備える、液体フロー電池を提供する。
【０１１０】
第３９の実施形態において、本開示は、第３１〜第３７の実施形態のいずれか１つによる電気化学セルを備える、液体フロー電池を提供する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月4日(2018.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体フロー電池の電極溶液であって、
液体媒体及び少なくとも１つのレドックス活性種を含み、密度Ｄｅを有する電解質と、
コア、シェル、及び密度Ｄｐを有し、前記シェルの少なくとも一部は導電性の第１の金属を含み、０．８Ｄｅ≦Ｄｐ≦１．２Ｄｅである、コアシェル微粒子と、
を含み、前記少なくとも１つのレドックス活性種の第１のレドックス活性種と、前記導電性の第１の金属とは異なる要素である、液体フロー電池の電極溶液。
【請求項２】
前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属は、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、イリジウム、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、タンタル、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、ガリウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つであり、前記第１のレドックス活性種が、第２金属のうちの少なくとも１つを含み、前記第１のレドックス活性種の前記第２の金属が、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、イリジウム、亜鉛、鉛、コバルト、ニッケル、マンガン、ルテニウム、リチウム、鉄、錫、白金、パラジウム、クロム、アンチモン、バナジウム、チタン、ジルコニウム、ビスマス、インジウム、及びセリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項３】
前記液体媒体は水性液体媒体である、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項４】
前記液体媒体は非水性液体媒体であり、前記非水性液体媒体は、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、カーボネート、ニトリル、アミン、アミド、スルホキシド、ピロリドン、イミダゾリドン、ピリジン、ハロゲン化溶媒、有機酸、無機酸、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項５】
前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位未満である、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項６】
前記少なくとも１つのレドックス活性種の前記第１のレドックス活性種、及び前記コアシェル微粒子の前記導電性の第１の金属の各々は、高酸化状態及び低酸化状態を有し、高酸化状態にある前記第１のレドックス活性種の還元電位は、高酸化状態にある前記導電性の第１の金属の還元電位より大きい、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項７】
前記コアは、少なくとも１つの誘電体材料を含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項８】
前記コアシェル微粒子は、金属化セラミック粒子、金属化セラミックバブル、金属化薄片セラミック、金属化セラミックロッド、金属化ポリマー粒子、金属化ポリマーバブル、金属化薄片ポリマー、及び金属化ポリマーロッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の液体フロー電池の電極溶液。
【請求項９】
液体フロー電池の電気化学セルであって、
請求項１に記載の第１の電極溶液と、
陽極半セルと、
陰極半セルと、
を含み、前記陽極半セル及び前記陰極半セルのうちの少なくとも１つは、固定多孔質電極を含有せず、前記第１の電極溶液は、固定多孔質電極を含有しない半セルに含有される、液体フロー電池の電気化学セル。
【請求項１０】
請求項１に記載の第１の電極溶液を含む、液体フロー電池。
【国際調査報告】
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