Batería de flujo redox.

Una batería de flujo redox que realiza la carga y descarga suministrando un electrolito de electrodo positivo y un electrolito de electrodo negativo a una célula de batería,

conteniendo cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo un ion vanadio, y conteniendo adicionalmente al menos uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo un ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio, donde dicho ion metálico de mayor potencial redox es al menos un tipo de iones metálicos seleccionados entre un ion manganeso, un ion plomo, un ion cerio, y un ion cobalto, y

una concentración total de dicho ion metálico de mayor potencial redox en un electrolito que contiene dicho ion metálico de mayor potencial redox no es menor de 0,1 M y no mayor de 5 M.

Batería de flujo redox

Campo técnico La presente invención se refiere a una batería de flujo redox que contiene un ion vanadio como material activo y, particularmente, a una batería de flujo redox capaz de mejorar una densidad energética en comparación con la batería de flujo redox de vanadio convencional.

Técnica anterior

Como una manera para combatir el calentamiento global, en los últimos años se ha promovido por todo el mundo la introducción de una nueva energía, tal como generación de energía fotovoltaica solar y generación de energía eólica. Puesto que los rendimientos de tal generación de energía se ven afectados por las condiciones climáticas, se predice que la introducción a gran escala provocará problemas de funcionamiento de los sistemas eléctricos tales como dificultades para el mantenimiento de frecuencias y tensiones. Como una manera para resolver tales problemas, se espera la instalación de baterías de gran capacidad de almacenamiento para suavizar las variaciones de producción, almacenar los excedentes de energía y nivelar la carga.

Una batería de flujo redox es una de las baterías de almacenamiento de gran capacidad. En una batería de flujo redox, un electrolito de electrodo positivo y un electrolito de electrodo negativo se suministran a una célula de batería que tiene una membrana interpuesta entre un electrodo positivo y un electrodo negativo para cargar y descargar la batería. Se usa una solución acuosa que contiene el ion metálico soluble en agua que tiene una valencia que cambia por oxidación-reducción, representativamente, como los electrolitos, y tal ion metálico se usa como material activo. En los últimos años, el tipo estudiado más ampliamente es una batería de flujo redox de vanadio en la que se usa un ion vanadio (V) como material activo para cada uno del electrodo positivo y el electrodo negativo (por ejemplo, Bibliografías de Patente 1 y 2) . La batería de flujo redox de vanadio se está empezando a usar actualmente en la práctica y se espera que se use continuamente en el futuro.

Lista de citas

Bibliografía de patentes Bibliografía de Patente 1: Patente Japonesa Nº 3143568 Bibliografía de Patente 2: Patente Japonesa Abierta a Inspección Pública Nº 2003-157884

Sumario de la invención

Problema técnico Sin embargo, es difícil que la batería de flujo redox de vanadio convencional consiga una mejora adicional en la densidad energética.

En general, se desea que las baterías tengan una mayor densidad energética. Para aumentar la densidad energética, por ejemplo, es concebible elevar la solubilidad del material activo en el electrolito y elevar la tasa de utilización del electrolito, es decir, la tasa de utilización del ion metálico contenido como material activo en el electrolito. La tasa de utilización descrita anteriormente significa la capacidad de la batería disponible actualmente (capacidad de descarga) con respecto a la capacidad teórica de la batería (Ah) del ion metálico mencionado anteriormente, es decir, la diferencia entre la capacidad de la batería en el estado límite inferior de carga (SOC) y la capacidad de la batería en el estado límite superior de carga.

Sin embargo, cuando la tasa de utilización descrita anteriormente sube tanto como sea posible para la carga, en otras palabras, cuando se aumenta el estado de carga, en la última fase de la carga, el electrodo positivo 55 experimenta una reacción secundaria tal como generación de oxígeno resultante de la descomposición del agua y el deterioro de los electrodos (particularmente, fabricados de materiales de carbono) mientras que el electrodo negativo experimenta una reacción secundaria tal como la generación de hidrógeno resultante de la descomposición del agua, puesto que se utiliza una solución acuosa para un electrolito como se ha descrito anteriormente en la configuración típica de la batería de flujo redox.

Las reacciones secundarias descritas anteriormente ocasionan muchos efectos dañinos tales como (1) una pérdida de corriente (una pérdida causada por el hecho de que una parte de cantidad de electricidad (Ah) usada durante la carga no se usa para una reacción de la batería (cambio de valencia) sino que se usa para otra reacción tal como descomposición de agua y similares) hace que disminuya la eficacia de la batería; (2) se provoca una diferencia 65 entre los estados de carga de los electrodos positivo y negativo, conduciendo a una reducción en la capacidad de la batería disponible; (3) el deterioro de los electrodos provoca un acortamiento de la vida útil de la batería; y similares.

Por consiguiente, cuando la batería realmente funciona, se determina la tensión a la que se detiene la carga (límite superior de la tensión de carga) para usar la batería a un grado tal que no ocurra la reacción secundaria descrita anteriormente. Por ejemplo, para suprimir las reacciones secundarias descritas anteriormente, la Bibliografía de Patente 1 propone que un ion V pentavalente del material activo positivo sea un 90% o menor al final de la carga mientras que la Bibliografía de Patente 2 propone que la carga continúe de manera que un ion V divalente en el material activo negativo sea del 94% o menor.

Sin embargo, la resistencia de la célula se aumenta durante el uso a largo plazo. Por consiguiente, cuando la tensión a la que se detiene la carga se ajusta a un valor constante sin cambiar desde el principio de su uso, la resistencia de la célula aumenta, de manera que no puede mantenerse el estado de carga al comienzo del uso. Por lo tanto, la tensión a la que se detiene la carga tiene que aumentar con el tiempo para asegurar un estado de carga prescrito. En consecuencia, resulta difícil asegurar un alto estado de carga sin generar oxígeno gas e hidrogeno gas durante un largo periodo de tiempo.

Desde el punto de vista de la supresión de una reacción secundaria, es difícil en la situación actual mantener el estado de carga del ion vanadio en el electrolito al 90% o mayor durante un largo periodo de tiempo y, por lo tanto, el ion vanadio no puede utilizarse suficientemente. Por esta razón, en la batería de flujo redox de vanadio convencional es difícil conseguir una tasa de utilización del ion vanadio del 90% o superior, aún mayor que esto. De esta manera, una mejora en la densidad energética está limitada.

Un objeto de la presente invención es proporcionar una batería de flujo redox que pueda mejorar una densidad energética.

Solución al problema En la batería de flujo redox de vanadio convencional, solo se usa un ion vanadio como un ion metálico que sirve como material activo. Por otro lado, los presentes inventores han descubierto, sorprendentemente, que la tasa de utilización del ion vanadio puede mejorar en gran medida en comparación con la batería de flujo redox de vanadio convencional, por ejemplo provocando que el electrolito que contiene un ion vanadio como material activo contenga iones metálicos tales como ion manganeso (Mn) , que tiene un mayor potencial de oxidación-reducción (en lo sucesivo en este documento simplemente denominado potencial) que el ion vanadio en el lado del electrodo positivo y un ion metálico tal como ion cromo (Cr) , que presenta un menor potencial redox que el ion vanadio en el lado del electrodo negativo, junto con el ion vanadio. Esto se considera el resultado de las razones descritas más adelante.

En la batería de flujo redox que usa el electrolito que contiene un ion vanadio como el material activo, ocurre la siguiente reacción en cada electrodo tras la carga. Se muestran también los potenciales convencionales en el momento de producirse la reacción en cada electrodo.

Caga (electrodo positivo) : V4+ → V5+ +e-Potencial: aproximadamente 1, 0 V (V4+/V5+)

Carga (electrodo negativo) : V3+ + e-→ V2+ Potencial: aproximadamente -0, 26 V (V3+/V2+)

Adicionalmente, puede ocurrir la siguiente reacción secundaria en la última fase de la carga. También se muestra en este caso el potencial convencional en el momento de producirse cada reacción cuando se utiliza el electrodo 45 fabricado de material de carbono.

Carga (electrodo positivo) :

H2O → (1/2) O2 + 2H+ + 2e-

Potencial: aproximadamente 1, 2 V (potencial real: aproximadamente 2, 0 V)

C (carbono) + O2 → CO2 + 4e

Potencial: aproximadamente 1, 2 V (potencial real: aproximadamente 2, 0 V)

Carga (electrodo negativo) :

H+ + e-→ (1/2) H2

Potencial: aproximadamente 0 V (potencial real: aproximadamente -0, 5 V)

Durante el funcionamiento real, se requiere una sobretensión que depende del material de electrodo usado, en cuyo caso el potencial en el momento... [Seguir leyendo]

1. Una batería de flujo redox que realiza la carga y descarga suministrando un electrolito de electrodo positivo y un electrolito de electrodo negativo a una célula de batería,

conteniendo cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo un ion vanadio, y conteniendo adicionalmente al menos uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo un ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio, donde dicho ion metálico de mayor potencial redox es al menos un tipo de iones metálicos seleccionados entre un ion manganeso, un ion plomo, un ion cerio, y un ion cobalto, y una concentración total de dicho ion metálico de mayor potencial redox en un electrolito que contiene dicho ion metálico de mayor potencial redox no es menor de 0, 1 M y no mayor de 5 M.

2. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos dicho electrolito de electrodo positivo contiene adicionalmente un ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio, preferentemente cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo contiene adicionalmente un ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio.

3. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde dicho ion metálico de mayor potencial redox es al menos un tipo de iones manganeso de un ion manganeso divalente y un ion manganeso trivalente.

4. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde el electrolito que contiene dicho ion metálico de mayor potencial redox contiene al menos un tipo de iones manganeso de un ion manganeso divalente y un ion manganeso trivalente, y manganeso tetravalente.

5. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos dicho electrolito de electrodo positivo contiene adicionalmente un ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio, y al menos dicho electrolito de electrodo negativo contiene adicionalmente un ion metálico de menor potencial redox que el ion vanadio.

6. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1 o 5, donde al menos uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo contiene adicionalmente cada uno del ion metálico de mayor potencial redox que el ion vanadio y el ion metálico de menor potencial redox que el ion vanadio.

7. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, donde dicho ion metálico de mayor potencial

redox es al menos un tipo de iones metálicos seleccionados entre un ion manganeso, un ion plomo, un ion cerio, y un ion cobalto, dicho ion metálico de menor potencial redox es al menos un tipo de iones metálicos de un ion cromo y un ion cinc, y cada una de una concentración total de los iones metálicos de mayor potencial redox en un electrolito que contiene dichos iones metálicos de mayor potencial redox y una concentración total de los iones metálicos de menor potencial redox en un electrolito que contiene dichos iones metálicos de menor potencial redox no es menor de 0, 1 M y no mayor de 5 M.

8. La batería de flujo redox de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde dicho ion metálico de mayor potencial redox es al menos un tipo de iones manganeso de un ion manganeso divalente y un ion manganeso 45 trivalente, y dicho ion metálico de menor potencial redox es al menos un tipo de iones cromo de un ion cromo divalente y un ion cromo trivalente.

9. La batería de flujo redox de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, donde el electrolito que contiene dicho ion metálico de mayor potencial redox contiene al menos un tipo de iones manganeso de un ion manganeso divalente y un ion manganeso trivalente, y manganeso tetravalente, y dicho ion metálico de menor potencial redox es al menos un tipo de iones cromo de un ion cromo divalente y un ion cromo trivalente.

10. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 1, donde al menos dicho electrolito de electrodo negativo contiene adicionalmente un ion metálico de menor potencial redox que el ion vanadio, preferentemente cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo contiene adicionalmente un ion metálico de menor potencial redox que el ion vanadio.

11. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 10, donde dicho ion metálico de menor potencial redox es al menos un tipo de iones metálicos de un ion cromo y un ion cinc, y una concentración total de los iones metálicos de menor potencial redox en un electrolito que contiene dichos iones metálicos de menor potencial redox no es menor de 0, 1 M y no mayor de 5 M.

12. La batería de flujo redox de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, donde dicho ion metálico de menor potencial redox es al menos un tipo de iones cromo de un ion cromo divalente y un ion cromo trivalente.

13. La batería de flujo redox de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo contiene un anión sulfato.

14. La batería de flujo redox de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde:

un disolvente de cada de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo es una solución acuosa de H2SO4, y una concentración de ácido sulfúrico de cada uno de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo no es mayor de 5 M; y/o se realiza una operación de manera que un estado de carga de un electrolito de un electrodo que contiene al

menos uno de dicho ion metálico de mayor potencial redox y dicho ion metálico de menor potencial redox supera el 90%.