申请日2011.08.16
公开(公告)日2013.05.15
IPC分类号C02F1/469; H01G11/58
摘要
本发明使用电化学离子吸收(充电)和离子解吸(放电)的原理，并涉及流化床电极系统、高容量能量存储系统和使用这些系统的水处理方法，其中高容量电能被存储为浆体相的电极材料，且电解质同时以连续方式流入到形成在电极上的细流通道结构中。更具体地，本发明涉及流化床电极系统、能量存储系统和水处理方法，其中电极活性材料连续地以浆体相流动，由此不扩大或层叠电极而容易地获得高容量。
权利要求书
1.一种连续流电极系统，包括：
流阳极，含有可流动阳极活性材料;
流阴极，含有可流动阴极活性材料;以及
电解质。
2.如权利要求1所述的连续流电极系统，其中所述阳极包括阳极集电 体;阳极隔离层;形成在所述阳极集电体和所述阳极隔离层之间的阳极流 通道;以及流过所述阳极流通道的所述阳极活性材料，以及
所述阴极包括阴极集电体;阴极隔离层;形成在所述阴极集电体和所 述阴极隔离层之间的阴极流通道;以及流过所述阴极流通道的所述阴极活 性材料
其中所述电解质流过形成在所述阳极隔离层和所述阴极隔离层之间的 绝缘间隔物。
3.如权利要求2所述的连续流电极系统，其中所述阳极隔离层是微孔 绝缘隔离膜或阴离子交换(导电)膜，以及
所述阴极隔离层是微孔绝缘隔离膜或阳离子交换(导电)膜。
4.如权利要求2所述的连续流电极系统，其中所述阳极活性材料或所 述阴极活性材料与所述电解质混合以形成浆体相的活性材料。
5.如权利要求2所述的连续流电极系统，其中所述阳极活性材料或所 述阴极活性材料包括相同的材料。
6.如权利要求2所述的连续流电极系统，其中所述隔离层是微孔绝缘 隔离膜，以及
所述阳极活性材料或所述阴极活性材料是微囊化的。
7.如权利要求1所述的连续流电极系统，其中所述电解质的流向与所 述流阳极的所述阳极活性材料和所述流阴极的所述阴极活性材料二者的流 向相反，其中这两种活性材料以相同方向流动。
8.如权利要求1所述的连续流电极系统，其中所述流电极的所述阳极 活性材料具有与所述流阴极的所述阴极活性材料的流动速率不同的流动速 率。
9.如权利要求1所述的连续流电极系统，其中所述阳极包括阳极集电 体;以及所述阳极活性材料在所述阳极集电体附近流动，
所述阴极包括阴极集电体;以及所述阴极活性材料在所述阴极集电体 附近流动，
所述电解质在所述阳极活性材料和所述阴极活性材料之间流动，以及
所述阳极活性材料或所述阴极活性材料是微囊化的。
10.如权利要求1到9中任一项所述的连续流电极系统，其中所述连 续流电极系统是二次电池或电双层电容器(EDLC)。
11.一种高容量能量存储系统，包括：
如权利要求1到9中任一项所述的连续流电极系统;
馈送装置，分别提供所述阳极活性材料、阴极活性材料和电解质;
电源，提供功率到所述连续流电极系统;
转换开关，控制在所述电源中出现的电势差;以及
存储罐，用于存储所述阳极活性材料、阴极活性材料和电解质中的每 一种。
12.如权利要求11所述的高容量能量存储系统，还包括连接到所述转 换开关的电阻器。
13.如权利要求11所述的高容量能量存储系统，其中所述馈送装置包 括馈送罐和馈送泵，以分别提供所述阳极活性材料、阴极活性材料和电解 质。
14.如权利要求13所述的高容量能量存储系统，其中单个馈送罐用作 阳极活性材料馈送罐以提供所述阳极活性材料，且同时作为阴极材料馈送 罐以提供阴极活性材料。
15.如权利要求13所述的高容量能量存储系统，其中提供两个连续流 电极系统，其中所述连续流电极系统的一部分被用作充电装置而剩余部分 被用作放电装置，以及
从能量存储装置流出以用于放电的所述阳极活性材料和所述阴极活性 材料再次被分别循环到所述阳极活性材料馈送罐和所述阴极活性材料馈送 罐。
16.如权利要求11所述的高容量能量存储系统，其中所述存储罐是电 绝缘的存储容器。
17.如权利要求10所述的高容量能量存储系统，其中所述电解质包括 海水或工业废水。
18.一种使用根据权利要求10的高容量能量存储系统的利用电容消离 子(CDI)的水处理方法。
19.一种使用根据权利要求10的高容量能量存储系统的利用电容消离 子(CDI)的海水淡化的方法，其中所述电解质包括海水。
20.一种使用根据权利要求10的高容量能量存储系统的利用电容消离 子(CDI)的废水净化的方法，其中所述电解质包括工业废水。
说明书
流化床电极系统以及高容量功率存储和使用这些系统的水处理方法
技术领域
本发明使用电化学离子吸收(充电)和离子解吸(放电)的原理，并 涉及连续流电极系统、高容量能量存储系统和使用这些系统的水处理方法， 其中处于浆体相的电极材料和电解质以连续方式在形成在电极上的细流通 道结构中同时流动，以便在其中存储高容量电能。更具体地，本发明涉及 连续流电极系统、能量存储系统以及水处理方法，其中电极活性材料连续 地以浆体相流动，由此不用扩大或层叠电极以用于高容量的情况下而容易 地获得高容量。
背景技术
近年来，世界上许多国家已大力致力于研发清洁的可替代能源以及存 储能量的技术，以便解决与空气污染和/或全球变暖有关的问题。特别地， 电能存储技术包括例如高容量功率存储系统用于存储由大量可替代能源、 不同种类的移动装置产生的电能，用于未来的电动汽车的小尺寸但高能量 的功率存储系统以减少大气污染等，这些是作为未来绿色产业的基础的关 键点。大部分这样的用于功率存储的未来技术是基于离子吸收(充电)和 解吸(放电)的原理使用，诸如锂离子电池或超级电容器，因此世界上所 有国家都继续致力于有意义的研发以通过改善材料和部件的充电-放电特 征实现高效率的致密化和容量扩展。
同时，以上描述的同样原理最近也被用于水处理应用，包括处理净化 水或废水、海水淡化等，由此与现有的蒸发或逆渗透(RO)相比非常节能 的处理水的方法，即，现在正在开发的电容去离子(CDI)处理。
对于使用如上描述的同样原理的功率存储和水处理系统，最显著的问 题是高设备成本以及电容扩展的效率降低。换句话说，由于用于按比例增 加的电极面积的增加，由此引起的电极中的电场分布的不规则性、涂覆在 集电体上的膜电极中有限量的活性材料、在涂覆过程中活性材料和电解质 之间由粘合剂导致的接触面积的降低以及充电-放电效率的恶化等等，必须 层叠大量的单元电池，以便引起高设备成本，且特别地，电容去离子(CDI) 处理遇到由于堆叠流(stack flow)中水(电解质)压力损失而引起的增加 操作成本的问题。
发明内容
【技术问题】
因此，本发明的一个目的是提供一种连续流电极系统，其具有扩展的 容量而不需要层叠或增加向其施加容量扩展的电极区域。
本发明的另一个目的是提供一种有效和经济的高容量能量存储系统。
而且，本发明的另一个目的是提供一种水处理方法，其使得具有低能 源成本的水处理成为可能。
【技术方案】
本发明的方面1旨在一种连续流电极系统，包括：含有可流动阳极活 性材料的流阳极;含有可流动阴极活性材料的流阴极;以及电解质。
根据方面1的连续流电极系统，该阳极活性材料和阴极活性材料连续 流动，由此被连续地提供给系统，因此容量可被容易地扩展，而不需要层 叠和/或增加电极区域。
根据本发明的方面2，在本发明的方面1的连续流电极系统，阳极包 括阳极集电体;阳极隔离层;形成在阳极集电体和阳极隔离层之间阳极流 通道;以及流过阳极流通道的阳极活性材料，且阴极包括阴极集电体;阴 极分离层;形成在阴极集电体和阴极分离层之间的阴极流通道;以及流过 阴极流通道的阴极活性材料，其中所述电解质流过在阳极分离层和阴极分 离层之间形成的作为电解质流通道的绝缘间隔物。
根据方面2的连续的流电极系统，由阳极活性材料和电解质之间或阴 极活性材料和电解质之间的离子交换执行离子吸附(充电)和/或解吸(放 电)，以便存储和/或产生能量。
根据本发明的方面3，在本发明的方面2的连续流电极系统中，阳极 分离层是微孔绝缘分离膜或阴离子交换(导电)膜，且阴极分离层是微孔 绝缘分离膜或阳离子交换(导电)膜。
根据方面3的连续流电极系统，通过微孔绝缘分离膜或阴离子交换膜， 离子可从活性材料被转移或交换到电解质，由此存储和/或产生能量。
根据本发明的方面4，在本发明的方面2的连续流电极系统中，阳极 活性材料或阴极活性材料与电解质混合以形成浆体相的活性材料。
根据方面4的连续流电极系统，容易控制流动速率并恒定且连续地提 供活性材料给单元连续流电极系统，由此恒定地存储和/或产生能量。
根据本发明的方面5，在本发明的方面2的连续流电极系统中，阳极 活性材料或阴极活性材料包括同样的材料。
根据方面5的连续流电极系统，阳极和阴极活性材料都仅使用一个装 置而存储和提供，由此减少存储和管理上述活性材料引起的不便，并降低 用于提供各装置的花费。
根据本发明的方面6，在本发明的方面2的连续流电极系统中，分离 层是微孔绝缘分离膜，且阳极活性材料或阴极活性材料是微囊化的 (micro-capsulated)。
根据方面6的连续流电极系统，微囊化的电极活性材料允许与电解质 的接触面积增加，由此改善反应性。
根据本发明的方面7，电解质的流向与流阳极的阳极活性材料和流阴 极的阴极活性材料的流向都相反，其中这两个活性材料以相同方向流动。
基于上述技术配置，可设计各种形式的连续流电极系统。
根据本发明的方面8，流阳极的阳极活性材料具有与流阴极的阴极活 性材料不同的流动速率，以提供不对称的电极。即，由于它们具有彼此不 同的流动速率，流动速率的绝对值可不同，或流向可彼此相反。因此，有 可能设计各种形式的连续流电极系统。
根据本发明的方面9，系统没有分离层。因此，系统具有简单结构。 但是，为了防止阳极活性材料和阴极活性材料的混合，阳极活性材料或阴 极活性材料是微囊化的。
根据本发明的方面10，在方面1到9中的任一个中的连续流电极系统 中，连续流电极系统是二次电极或电双层电容器(EDLC)。
根据方面10的连续流电极系统，根据其目的，系统可以各种形式被使 用。
本发明的方面11涉及一种高容量能量存储系统，包括：根据方面1 到9的任一个的连续流电极系统;馈送装置，分别提供阳极活性材料、阴 极活性材料和电解质;电源，向连续流电极系统提供功率;转换开关，控 制在电源中出现的电势差;以及存储罐，用于存储阳极活性材料、阴极活 性材料和电解质中的每一种。
根据方面11的能量存储系统，阳极活性材料、阴极活性材料和电解质 不被存储在连续流电极系统中，而是被存储在单独提供的额外存储罐中， 并被提供给系统，可存储高容量的能量，而不要求扩展或层叠电极区域。 因此，可容易地执行用于不同容量的按比例增加，且制造和操作的花费被 显著降低，由此上述系统可被有用地用于未来的能源产业。
根据本发明的方面12，在方面11的高容量能量存储系统中，系统还 包括连接到转换开关的电阻器。
根据方面12的高容量能量存储系统，转换开关从电源被转换到电阻 器，允许存储在存储罐中的离子吸收(充电的)功率被输出。
根据本发明的方面13，在方面11的高容量能量存储系统中，馈送装 置包括馈送罐和馈送泵，以分别提供阳极活性材料、阴极活性材料和电解 质。
根据方面13的高容量能量存储系统，馈送罐可独立于连续流电极系统 而被单独提供，由此不考虑连续的流电极系统的尺寸而以降低的成本实现 容量扩展。
根据本发明的方面14，在方面13的高容量能量存储系统中，单个馈 送罐被用作阳极活性材料馈送罐，以提供阳极活性材料，且同时作为阴极 活性材料馈送罐以提供阴极活性材料。
根据方面14的高容量能量存储系统，当阳极活性材料与阴极活性材料 相同时，仅使用单个馈送罐就可充分提供活性材料，由此降低了设备成本。
根据本发明的方面15，在方面13的高容量能量存储系统中，提供了 两个连续流电极系统，其中连续流电极系统一部分被用作充电设备而剩余 部分被用作放电设备，从能量存储设备流出以用于放电的阳极活性材料和 阴极活性材料再次被分别循环到阳极活性材料馈送罐和阴极活性材料馈送 罐。
根据方面15的高容量能量存储系统，充电/放电可被连续和同时进行， 且不必要额外提供阳极活性材料馈送罐和阴极活性材料馈送罐，由此降低 设备成本。
根据本发明的方面16，在方面8的高容量能量存储系统中，存储罐是 电绝缘存储容器。
根据方面16的高容量存储系统，存储在存储罐中的功率被稳定地保 持，而没有泄露。
根据本发明的方面17，在方面13的高容量能量存储系统中，电解质 包括海水或工业废水。
根据方面17的高容量能量存储系统，由于海水和废水被用作电解质， 可降低花费且以上系统可被用于海水的淡化和废水的净化。
本发明的方面18涉及一种使用根据方面10的高容量能量存储系统的 利用电容消电的水处理方法。
使用方面18的水处理方法，可用降低的设备成本和操作成本执行大规 模的水处理。
本发明的方面19是一种使用根据方面7的高容量能量存储系统的利用 电容消电的海水淡化的方法。
根据方面19的海水淡化方法，可用减少的设备成本和操作成本来执行 大规模海水淡化。
本发明的方面20旨在一种使用根据方面7的高容量能量存储系统的利 用电容消电的废水净化方法，其中电解质包括工业废水。
根据方面20的废水净化方法，可用减少的设备成本和操作成本执行大 规模的废水净化。
【有益作用】
与涂覆在现有的集电体上的固定相活性材料电极相反，具有几十纳米 到几十微米的尺寸、且与集电体分离的微细电极活性材料连续地以与电解 质混合的浆体相流动，因此仅使用绝缘的存储容器以及具有微细流通道结 构的单元电池(unit cell)可容易地达到高容量，这样的能量存储和CDI 消电离装置可针对不同容量而容易并合适地按比例增加，使得用于制造并 操作装置的花费显著降低。