ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С ОПТИМАЛЬНОЙ МЕМБРАНОЙ

1. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
сепаратор;
2
при этом проточный аккумулятор способен работать с кпд по току по меньшей мере 85% при плотности тока по меньшей мере примерно 100 мА/см, и при этом сепаратор имеет толщину примерно 100 микрон или менее.
2. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом область ячейки в проточном аккумуляторе в условиях под нагрузкой или без нагрузки практически заполнена положительным и отрицательным электролитами, при этом диффузионный кроссовер активных материалов дает 2% или менее потерь кпд по току в условиях под нагрузкой в режиме заряда или разряда.
3. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом область ячейки в проточном аккумуляторе в условиях под нагрузкой или без нагрузки практически заполнена положительным и отрицательным электролитами, при этом электрические короткие замыкания, присутствующие в ячейке между положительным и отрицательным электродами, дают 2% или менее потерь кпд по току в условиях под нагрузкой в режиме заряда или разряда.
4. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом область ячейки в проточном аккумуляторе в условиях под нагрузкой или без нагрузки практически заполнена положительным и отрицательным электролитами, при этом проскок заряженных активных материалов между положительным и отрицательным электролитами дает 2% или менее потерь кпд по току в условиях под нагрузкой в режиме заряда или разряда.
5. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом область ячейки в проточном аккумуляторе в условиях под нагрузкой или без нагрузки практически заполнена положительным и отрицательным электролитами, при этом величина тока, который отвлекается на паразитные реакции, дает 4% или менее потерь кпд по току в условиях под нагрузкой в режиме заряда или разряда.
6. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом область ячейки в проточном аккумуляторе в условиях под нагрузкой или без нагрузки практически заполнена положительным и отрицательным электролитами, при этом шунтирующие токи, которые развиваются в проточных коллекторах, дают 5% или менее потерь кпд по току в условиях под нагрузкой в режиме заряда или разряда.
7. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом первый и второй активные материалы представляют собой металло-лигандные координационные соединения.
2
8. Проточный аккумулятор по п. 7, при этом лиганд содержит одно или более из следующего: CN-, НО, галоген, гидроксил, амины, полиамины, полиспирты, анионы карбоновых кислот, дикарбоновых кислот, поликарбоновых кислот, аминокислот, карбонил или монооксид углерода, нитрид, оксо, сульфид, пиридин, пиразин, амидогруппы, имидогруппы, алкоксигруппы, силокси, тиолат, пирокатехин, бипиридин, бипиразин, этилендиамин, диолы, терпиридин, диэтилентриамин, триазациклононан, трисаминометан, хиноны, гидрохиноны, виологены, пиридиний, акридиний, полициклические ароматические углеводороды или их комбинации.
9. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом металл первого металло-лигандного координационного соединения содержит один или более из следующих атомов: Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pd, Pt, Ru, Sn, Ti, V, Zn, Zr или их комбинация.
10. Проточный аккумулятор по п. 9, при этом металл первого металло-лигандного координационного соединения содержит один или более из следующих атомов: Al, Ca, Co, Cr, Fe, Mg, Ti, V, Zn, Zr или их комбинация.
11. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом металл второго металло-лигандного координационного соединения содержит один или более из следующих атомов: Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pd, Pt, Ru, Sn, Ti, V, Zn, Zr или их комбинация.
12. Проточный аккумулятор по п. 11, при этом металл второго металло-лигандного координационного соединения содержит один или более из следующих атомов: Al, Ca, Co, Cr, Fe, Mg, Ti, V, Zn, Zr или их комбинация.
13. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом металл первого металло-лигандного координационного соединения и металл второго металло-лигандного координационного соединения различаются по потенциалу восстановления на по меньшей мере примерно 0,5 вольта.
14. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом металл первого металло-лигандного координационного соединения и металл второго металло-лигандного координационного соединения различаются по потенциалу восстановления на по меньшей мере примерно 1,0 вольт.
15. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом металл первого металло-лигандного координационного соединения является таким же, как и у второго металло-лигандного координационного соединения; и при этом первый металл и второй металл имеют разные степени окисления.
16. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом второй активный материал отличается от первого активного материала.
17. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом подвижный ион переносит по меньшей мере примерно 80% ионного тока во время заряда/разряда.
18. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом подвижный ион переносит по меньшей мере примерно 85% ионного тока во время заряда/разряда.
+
+
+
2+
2+
2+
-
-
-
-
19. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом подвижный ион содержит один или более из следующих: Li, K, Na, Mg, Ca, Sr, Сl, Br, I, ОН или их комбинацию.
20. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом сепаратор имеет толщину 50 микрон или менее, а проточный аккумулятор работает при кпд по току по меньшей мере примерно 98%.
21. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом сепаратор имеет толщину 25 микрон или менее, а проточный аккумулятор работает при кпд по току по меньшей мере примерно 96%.
2
22. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом проточный аккумулятор способен работать при потерях из-за короткого замыкания примерно 1 мА/см или менее.
23. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом сепаратор содержит полимер, причем этот полимер представляет собой катионообменную мембрану, содержащую анионные функциональные группы.
24. Проточный аккумулятор по п. 23, при этом полимер содержит одно или более из следующего: сшитое галогенированное алкилированное соединение с полиамином, полимер типа сшитого ароматического полисульфона с полиамином, перфторированные углеводородные сульфонатные иономеры, сульфонированный полиэфирэфиркетон (sPEEK), сульфонированный поли(фталазинонэфиркетон), сульфонированный фенолфталеинполи(эфирсульфон), сульфонированные полиимиды, сульфонированный полифосфазен, сульфонированный полибензимидазол, ароматические полимеры, содержащие группу сульфоновой кислоты, сульфонированный перфторированный полимер, фторированные иономеры с сульфонатными группами, карбоксилатными группами, фосфатными группами, группами бороновой кислоты или их комбинациями, полиароматические простые эфиры с сульфонатными или карбоксилатными группами, поли(4-винилпиридин), поли(2-винилпиридин), поли(стирол-b-2-винилпиридин), поливинилпирролидин, поли(1-метил-4-винилпиридин), поли[(2,2'-m-фенилен)-5,5'-бибензимидазол][поли(2,2'-m-фенилен)-5,5'-бибензимидазол, поли(2,5-бензимидазол), полиакрилат, полиметилакрилат или их комбинации.
25. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом сепаратор содержит твердый полимер, причем этот твердый полимер представляет собой анионообменную мембрану, содержащую катионные функциональные группы.
26. Проточный аккумулятор по п. 25, при этом полимер содержит одно или более из следующего: полидиарилдиметиламмоний, поли(метакрилоилоксиэтилтриэтиламмоний), поли(диаллиламмоний) или их комбинации.
27. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом полимер содержит одно или более из следующего: политетрафторэтилен, поливинил, полистирол, полиэтилен, полипропилен, сложные полиэфиры, перфторированные полимеры, поливинилиденфторид, поли(эфир-кетон-эфир-кетон), поливинилхлорид, замещенные виниловые полимеры, полистирол или их комбинации.
28. Проточный аккумулятор по п. 27, при этом мембрана дополнительно содержит армирующий материал.
29. Проточный аккумулятор по п. 28, при этом армирующий материал содержит одно или более из следующего: нейлон, хлопок, сложные полиэфиры, кристаллический диоксид кремния, кристаллический диоксид титана, аморфный диоксид кремния, аморфный диоксид титана, каучук, асбест, древесину или их комбинация.
30. Проточный аккумулятор по п. 29, при этом объемный процент армирования определяется при данной толщине мембраны так: желаемая толщина =10 мкм/(1-об.% армирования).
31. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
сепаратор, имеющий толщину примерно 100 микрон или менее;
2
при этом проточный аккумулятор способен работать с кпд по напряжению в режиме полный разряд - полный заряд по меньшей мере 60% при плотности тока по меньшей мере примерно 100 мА/см.
32. Проточный аккумулятор по п. 31, при этом проточный аккумулятор способен работать при кпд по напряжению по меньшей мере примерно 60%, по меньшей мере примерно 70%, по меньшей мере примерно 80% или по меньшей мере примерно 90%.
33. Проточный аккумулятор по п. 31, при этом второй активный материал отличается от первого активного материала.
34. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
сепаратор толщиной примерно 100 микрон или менее, способный иметь селективность в интервале от примерно 50 до примерно 1000000 для одного подвижного иона относительно первого и второго активных материалов.
35. Проточный аккумулятор по п. 34, при этом сепаратор способен иметь селективность в интервале от примерно 50 до примерно 300 для по меньшей мере одного подвижного иона относительно первого и второго активных материалов.
36. Проточный аккумулятор по п. 34, при этом сепаратор способен иметь селективность в интервале от 100 до примерно 1000 для по меньшей мере одного подвижного иона относительно первого и второго активных центров.
37. Проточный аккумулятор по п. 34, при этом второй активный материал отличается от первого активного материала.
38. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
-7
2
сепаратор, имеющий толщину примерно 100 микрон или менее и способный приводить к скоростям диффузии через сепаратор первого активного материала, второго активного материала или обоих, составляющим 1×10 моль/см·сек или менее.
-9
2
-11
2
-13
2
-15
2
39. Проточный аккумулятор по п. 38, при этом первый активный материал, второй активный материал или оба имеют скорость диффузии через сепаратор 1×10 моль/см·сек или менее, 1×10 моль/см·сек или менее, 1×10 моль/см·сек или менее, или 1×10 моль/см·сек или менее.
40. Проточный аккумулятор по п. 38, при этом второй активный материал отличается от первого активного материала.
41. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом сепаратор содержит пористую мембрану.
42. Проточный аккумулятор по п. 41, при этом сепаратор представляет собой пористую мембрану, и при этом пористая мембрана имеет поры с распределением среднего размера между примерно 0,001 нм и 100 нм.
43. Проточный аккумулятор по п. 42, при этом активные материалы находятся практически в виде металло-лигандных координационных соединений, и средний диаметр металло-лигандного координационного соединения примерно на 50% больше, чем средний размер пор пористой мембраны.
44. Проточный аккумулятор по п. 41, при этом активные материалы находятся практически в виде металло-лигандных координационных соединений, и средний диаметр металло-лигандных координационных соединений примерно на 20% больше, чем средний размер пор пористой мембраны, когда диапазон размеров пор является практически равномерным.
45. Проточный аккумулятор по п. 1, при этом:
а. активные материалы находятся практически в виде металло-лигандных координационных соединений;
b. металло-лигандное координационное соединение имеет сферу гидратации, так что металло-лигандное координационное соединение характеризуется как имеющее гидродинамический диаметр; и
с. гидродинамический диаметр примерно на 35% больше, чем средний размер пор пористой мембраны.
46. Проточный аккумулятор по п. 41, при этом:
а. активные материалы находятся практически в виде металло-лигандных координационных соединений;
b. металло-лигандное координационное соединение дополнительно координируется с по меньшей мере одной молекулой воды, приводящей к гидродинамическому диаметру; и
с. гидродинамический диаметр примерно на 10% больше, чем средний размер пор пористой мембраны, когда диапазон размеров пор является практически равномерным.
47. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
при этом первый активный материал имеет результирующий ионный заряд;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
при этом второй активный материал имеет результирующий ионный заряд;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
сепаратор толщиной примерно 100 микрон или менее, содержащий иономерную мембрану;
при этом результирующий ионный заряд первого, второго или обоих активных материалов соответствует таковому у иономерной мембраны; и
2
при этом проточный аккумулятор способен работать с кпд по току по меньшей мере 90% при плотности тока по меньшей мере 100 мА/см.
-3
2
48. Проточный аккумулятор по п. 47, при этом иономер имеет массу иономера к молярному содержанию в расчете площадь 2×10 г иономера/см или менее.
49. Проточный аккумулятор, содержащий:
первый электролит, содержащий водный раствор, содержащий первый активный материал, содержащий по меньшей мере один подвижный ион;
второй электролит, содержащий водный раствор, содержащий второй активный материал и по меньшей мере один подвижный ион;
первый электрод в контакте с упомянутым первым водным электролитом;
второй электрод в контакте с упомянутым вторым водным электролитом; и
сепаратор толщиной примерно 100 микрон или менее, причем сепаратор имеет множество слоев, при этом по меньшей мере один слой способен к ионной проводимости, а по меньшей мере один другой слой способен к избирательному переносу ионов; и
2
при этом проточный аккумулятор способен работать с кпд по току по меньшей мере 90% при плотности тока по меньшей мере примерно 100 мА/см.
50. Проточный аккумулятор по п. 49, при этом упомянутый по меньшей мере один слой содержит по меньшей мере один из первого электролита или второго электролита, впитанный в сепаратор.
total
мембраны
сеп-ра
электролита
сеп-ра
2
-6
51. Проточный аккумулятор по п. 49, при этом желаемый интервал поверхностного сопротивления для пропитанного сепаратора определяется уравнением R[Ом·см]=K/10 м+(пористость^1,5·K)/толщина.
52. Проточный аккумулятор по п. 49, при этом упомянутый по меньшей мере один другой слой, способный к избирательному переносу ионов, содержит одно или более из следующего: перфторированный сульфонатный полимер, перфторированные углеводородные сульфонатные иономеры, сульфонированный полиэфирэфиркетон (sPEEK), сульфонированный поли(фталазинонэфиркетон), сульфонированный фенолфталеинполи(эфирсульфон), сульфонированные полиимиды, сульфонированный полифосфазен, сульфонированный полибензимидазол, полиароматические простые эфиры с сульфоновыми или карбоксилатными группами, или их комбинации.
53. Проточный аккумулятор по п. 49, при этом по меньшей мере один слой из множества слоев представляет собой пористую мембрану.