用于金属-空气燃料电池的金属供给方法

本发明涉及金属-空气燃料电池和在氧化还原介导的金属-空气燃料电池系统中供给金属以对金属-空气燃料电池系统进行再充电的方法。

背景技术：

1、在本说明书中列出或讨论先前公开的文献不应被视为承认该文献是现有技术的一部分或是公知常识。

2、除了电解液不是储存在电池中电极周围以外，液流电池类似于电化学电池。相反，离子溶液储存在电池外部，并且可以供给到电池中以发电。

3、锌基液流电池由于材料成本低、电池电压高、地球丰度高和毒性低已经引起了相当大的关注。然而，传统的机械可再充电锌-空气电池具有相对困难的“补充燃料”过程并且面临着电极钝化问题。

4、因此，存在对新的可再充电的氧化还原介导的金属-空气燃料电池系统的需求，所述系统拥有超高的能量密度、出色的工作灵活性、良好的可扩展性、低成本和优异的安全性，用于各种能量存储应用，并且可以克服上述问题中的至少一个。

技术实现思路

1、在以下编号的条款中提供解决上述问题的本发明的各方面和实施方案。

2、1.一种氧化还原介导的金属-空气燃料电池系统，其包括：

3、氧化还原液流电池，其包含：

4、阴极室，其包含以下之一：

5、阴极电极，和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口；

6、或使供给空气通过阴极室的用于氧还原反应(oxygen reduction reaction)(orr)的气体扩散空气电极；

7、阳极室，其包含阳极电极，和适用于从第一罐接收阳极电解液的入口和向第一罐提供阳极电解液的出口；

8、在阴极室和阳极室之间的离子选择性膜；和

9、第一罐，其适于容纳阳极电解液和氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒以及适用于从阳极室接收阳极电解液的入口和向阳极室提供阳极电解液的出口，其中：

10、氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒包含：

11、盒壳体；和

12、复合材料，其包含：

13、选自碱金属、碱土金属、铝、锌或铁的金属；

14、导电性碳材料；和

15、粘结剂。

16、2.根据权利要求1所述的系统，其中金属选自选自zn、li、na、k、mg、ca、al和fe的组中的一种以上。

17、3.根据条款2所述的系统，其中金属为zn。

18、4.根据前述条款中任一项所述的系统，其中粘结剂选自乙烯纤维素、聚烯烃和含氟热塑性塑料中的一种以上，任选地其中含氟热塑性塑料选自选自ptfe和pvdf的组中的一种以上。

19、5.根据条款4所述的系统，其中粘结剂为pvdf。

20、6.根据前述条款中任一项所述的系统，其中：

21、金属以50至95wt％的量存在；

22、导电性碳材料以2.5至30wt％的量存在；

23、粘结剂以2.5至20wt％的量存在。

24、7.根据条款6所述的系统，其中：

25、金属以80至92wt％，如约90wt％的量存在；

26、导电性碳材料以3至10wt％，如约5wt％的量存在；

27、粘结剂以约3至10wt％，如约5wt％的量存在。

28、8.根据前述条款中任一项所述的系统，其中金属源材料以颗粒形式提供。

29、9.根据前述条款中任一项所述的系统，其中导电性碳材料为炭黑。

30、10.根据前述条款中任一项所述的系统，其中阳极室和第一罐进一步包括包含阳极氧化还原介体和电解液的阳极电解液。

31、11.根据条款10所述的系统，其中：

32、(a)阳极氧化还原介体选自由吩嗪衍生物、蒽醌衍生物和咯嗪衍生物组成的组中的一种以上，任选地，其中阳极氧化还原介体为7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸；和/或

33、(b)阳极氧化还原介体的浓度为0.01至2m，如约0.4m；和/或

34、(c)电解液选自naoh水溶液、koh水溶液(例如koh在水中的浓度为3m)和lioh水溶液(例如lioh在水中的浓度为3m)中的一种以上，任选地，其中naoh在水中的浓度为3m。

35、12.根据条款10或条款11所述的系统，其中当阴极室包含阴极电极和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口，其进一步包括包含阴极氧化还原介体和电解液的阴极电解液。

36、13.根据条款12所述的系统，其中：

37、(a)阴极氧化还原介体选自由co(iii)tipa、钴三乙醇胺络合物[co(tea)]和蒽醌-2,6-二磺酸盐(aqds)组成的组中的一种以上；和/或

38、(b)阴极氧化还原介体的浓度为0.01至1m，如约0.2m；和/或

39、(c)电解液选自naoh水溶液、koh水溶液(例如koh在水中的浓度为3m)和lioh水溶液(例如lioh在水中的浓度为3m)中的一种以上，任选地，其中naoh在水中的浓度为3m。

40、14.根据前述条款中任一项所述的系统，其中当阴极室包含阴极电极和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口时，阴极室包含：

41、阴极壳体部分；

42、容纳在阴极壳体部分内的阴极；和

43、第二罐，其适于容纳阴极电解液、适用于从阴极壳体部分接收阴极电解液的入口和向阴极壳体部分提供阴极电解液的出口、和适用于使气体鼓泡通过第二罐的入口和出口。

44、15.根据条款1至10中任一项所述的系统，其中当阴极室包含气体扩散电极时，则阴极空气电极选自涂覆有氧还原反应催化剂的多孔性碳材料，任选地，其中氧还原催化剂选自选自铂族金属(铂或钯)、非铂族贵金属(例如金、银)、碳系催化剂(例如具有n掺杂碳纳米管作为载体的nico催化剂、修饰有分散fe-nx物质和b-中心的多孔性碳)的组中的一种以上。

45、16.一种氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒，其包括：

46、盒壳体；和

47、复合材料，其包含：

48、选自碱金属、碱土金属、铝、锌或铁的金属；

49、导电性碳材料；和

50、粘结剂。

51、17.根据条款16所述的盒，其中金属选自选自zn、li、na、k、mg、ca、al和fe的组中的一种以上。

52、18.根据条款17所述的盒，其中金属为zn。

53、19.根据条款16至18中任一项所述的盒，其中粘结剂选自乙烯纤维素、聚烯烃和含氟热塑性塑料中的一种以上，任选地，其中含氟热塑性塑料选自选自ptfe和pvdf的组中的一种以上。

54、20.根据条款19所述的盒，其中粘结剂为pvdf。

55、21.根据条款16至20中任一项所述的盒，其中：

56、金属以50至95wt％的量存在；

57、导电性碳材料以2.5至30wt％的量存在；

58、粘结剂以2.5至20wt％的量存在。

59、22.根据条款21所述的盒，其中：

60、金属以80至92wt％，如约90wt％的量存在；

61、导电性碳材料以3至10wt％，如约5wt％的量存在；

62、粘结剂以约3至10wt％，如约5wt％的量存在。

63、23.根据条款16至22中任一项所述的盒，其中金属源材料以颗粒形式提供。

64、24.根据条款16至23中任一项所述的盒，其中导电性碳材料为炭黑。

65、25.一种在氧化还原介导的金属-空气燃料电池系统中供给金属的方法，其包括：

66、氧化还原液流电池，其包含：

67、阴极室，其包含以下之一：

68、阴极电极，和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口；

69、阳极室，其包括阳极电极，包含阳极氧化还原介体和电解液的阳极电解液，和适用于从第一罐接收阳极电解液的入口和向第一罐提供阳极电解液的出口；

70、在阴极室和阳极室之间的离子选择性膜；和

71、第一罐，其包含阳极电解液、如条款16至24中任一项所述的氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒以及适用于从阳极室接收阳极电解液的入口和向阳极室提供阳极电解液的出口，其中所述方法涉及：

72、(a)使阳极电解液从第一罐循环到阳极室并再次返回，并且向阴极电解液供给气体；和

73、(b)当氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒耗尽时，更换氧化还原介导的金属-空气燃料电池盒。

74、26.根据条款25所述的方法，其中：

75、(a)当阴极室包含阴极电极和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口时，阴极氧化还原介体选自由co(iii)tipa、钴三乙醇胺络合物[co(tea)]和蒽醌-2,6-二磺酸盐(aqds)组成的组中的一种以上，或；

76、(b)当阴极室包含阴极电极和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口时，阴极氧化还原介体的浓度为0.01至1m，如约0.2m；和/或

77、(c)阳极氧化还原介体选自由吩嗪衍生物、蒽醌衍生物和咯嗪衍生物组成的组中的一种以上，任选地，其中阳极氧化还原介体为7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸；和/或

78、(d)阳极氧化还原介体的浓度为0.01至2m，如约0.4m；和/或

79、(e)电解液选自naoh水溶液、koh水溶液(例如koh在水中的浓度为3m)和lioh水溶液(例如lioh在水中的浓度为3m)中的一种以上，任选地，其中naoh在水中的浓度为3m。

80、27.根据条款25或条款26所述的方法，其中当阴极室包含阴极电极和适用于使气体鼓泡通过阴极室的入口和出口时，阴极室包含：

81、阴极壳体部分；

82、容纳在阴极壳体部分内的阴极；和

83、第二罐，其适于容纳阴极电解液、适用于从阴极壳体部分接收阴极电解液的入口和向阴极壳体部分提供阴极电解液的出口、和适用于使气体鼓泡通过第二罐的入口和出口。

84、28.根据条款25所述的方法，其中：

85、(a)当阴极室包含使供给空气或氧气直接通过阴极室的用于氧还原反应的气体扩散电极时，阴极空气电极选自涂覆有氧还原反应催化剂的多孔性碳材料，任选地，其中氧还原催化剂选自选自铂族金属(铂或钯)、非铂族贵金属(例如金、银)、碳系催化剂(例如具有n掺杂碳纳米管作为载体的nico催化剂、修饰有分散fe-nx物质和b-中心的多孔性碳)的组中的一种以上；和/或

86、(b)阳极氧化还原介体选自由吩嗪衍生物、蒽醌衍生物和咯嗪衍生物组成的组中的一种以上，任选地，其中阳极氧化还原介体为7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸；和/或

87、(c)阳极氧化还原介体的浓度为0.01至2m，如约0.4m；和/或

88、(d)电解液选自naoh水溶液、koh水溶液(例如koh在水中的浓度为3m)和lioh水溶液(例如lioh在水中的浓度为3m)中的一种以上，任选地，其中naoh在水中的浓度为3m。

89、29.一种金属-空气燃料电池金属源材料，其中源材料包含：

90、选自碱金属、碱土金属、铝、锌或铁的金属；

91、导电性碳材料；和

92、粘结剂。

93、30.一种复合材料，其包含：

94、选自碱金属、碱土金属、铝、锌或铁的金属；

95、导电性碳材料；和

96、粘结剂。

97、31.根据条款29所述的金属源材料或根据条款28所述的复合材料，其中金属选自选自zn、li、na、k、mg、ca、al和fe的组中的一种以上。

98、32.根据条款31所述的金属源材料或所述的复合材料，其中金属为zn。

99、33.根据条款29、31和32中任一项所述的金属源材料或根据条款30至32中任一项所述的复合材料，其中粘结剂选自乙烯纤维素、聚烯烃和含氟热塑性塑料中的一种以上，任选地，其中含氟热塑性塑料选自选自聚四氟乙烯(ptfe)和聚偏二氟乙烯(pvdf)的组中的一种以上。

100、34.根据条款33所述的金属源材料或所述的复合材料，其中粘结剂为pvdf。

101、35.根据条款29和31至34中任一项所述的金属源材料或根据条款30至34中任一项所述的复合材料，其中：

102、金属以50至95wt％的量存在；

103、炭黑以2.5至30wt％的量存在；和

104、粘结剂以2.5至20wt％的量存在。

105、36.根据条款35所述的金属源材料或所述的复合材料，其中：

106、金属以80至92wt％，如约90wt％的量存在；

107、导电性碳材料以3至10wt％，如约5wt％的量存在；和

108、粘结剂以约3至10wt％，如约5wt％的量存在。

109、37.根据条款29和31至36中任一项所述的金属源材料或根据条款30至36中任一项所述的复合材料，其中金属源材料以颗粒形式提供。

110、38.根据条款29和31至37中任一项所述的金属源材料或根据条款30至37中任一项所述的复合材料，其中导电性碳材料为炭黑。