CN109075356A - 具有所设计的流场的电化学电池单体和用于生产该电化学电池单体的方法 - Google Patents

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Abstract

电化学电池单体可以包括流动通道，该流动通道被设计成将电解质溶液更有效地提供到电极或离子传导性隔板。这种电化学电池单体可以包括布置在第一半电池单体和第二半电池单体之间的离子传导性隔板、在第一半电池单体中的第一双极板、以及在第二半电池单体中的第二双极板。第一双极板和第二双极板中的至少一个是包含导电材料和阻挡材料的复合材料。该阻挡材料限定了多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于离子传导性隔板横向延伸穿过复合材料。所述多个流动通道也在复合材料中彼此流体连通。这种电化学电池单体可以被合并到电化学电池堆中和/或流体连接到流体入口歧管和流体出口歧管。

Description

具有所设计的流场的电化学电池单体和用于生产该电化学电 池单体的方法
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本公开总体上涉及电化学电池单体，更具体来说，涉及一种具有设计的流场架构(flow field architecture)的电化学电池单体以及用于制造这种电化学电池单体的方法。
背景技术
诸如电池、超级电容器等的电化学能量存储系统已被广泛提出用于大型能量存储应用。为此目的，已考虑了包括液流电池的各种电池设计。与其它类型的电化学能量存储系统相比，液流电池可以是有利的(尤其对于大型应用来说)，因为液流电池能够使功率密度的参数和能量密度的参数彼此分离(decouple)。
液流电池通常包括在对应的电解质溶液中的负极活性材料和正极活性材料，在包含负电极和正电极的电化学电池单体中，所述对应的电解质溶液分别流过膜或隔板的相反两侧。通过发生在两个半电池单体(half-cell)内部的活性材料的电化学反应使液流电池充电或放电。如本文中所用，术语“活性材料”、“电活性材料”、“氧化还原活性材料”或其变体将同义地指代在液流电池等电化学能量存储系统的工作期间(即，在充电或放电期间)经历氧化态变化的材料。整个电化学电池单体包含由隔板材料分隔开的两个半电池单体(即，正半电池单体和负半电池单体)。
为了增加液流电池所能存储和释放的能量的量，多个单独的电化学电池单体可以放置成彼此电连通。将多个单独的电化学电池单体放置成彼此电连通通常涉及利用在相邻的电化学电池单体之间建立电连通的双极板或类似材料将多个单独的电化学电池单体定位在“电池单体堆”或“电化学电池堆”。双极板是导电的，但对于流体输送来说是基本不传导的。因此，双极板允许在相邻的电化学电池单体之间建立电连通，而不会在它们之间交换电解质溶液。
在电化学电池单体内，双极板能够在其被放置成接近隔板或膜时直接用作电极本身，或者双极板能够邻接于与所述隔板或膜相邻的单独的电极材料。无论在给定的电化学电池单体中存在哪种构造，都可能希望将电解质溶液有效地分配到隔板，以促进所期望的靠近隔板的电化学反应。例如，电解质溶液的低效分配可能降低工作效率和/或增加远离隔板的位置处的寄生反应的发生。如本文中所用，术语“寄生反应”将指代在电解质溶液中与期望的活性材料的氧化还原循环不同的任何电化学副反应。
可以使用双极板完成电化学电池单体中的电解质溶液到隔板的分配。在一些情况下，如下文中更详细讨论的，所设计的流场可以被合并到双极板中，以便以期望的方式控制流动动态(flow dynamics)。合并了开放式流场的流场架构也是可能的，在该流场架构中，电解质溶液的流动动态在很大程度上是不受控制的。未改性的多孔碳布或碳毡代表了能够在电化学电池单体中提供开放式流场的示例性材料。
在至少一个坐标轴上提供方向变化的、所设计的流场通常能够提供比开放式流场所能提供的更有效的电池单体操作。例如，交指型(interdigitated)流场能够提供高的电流密度值，同时将电池单体电压保持在期望的低水平。在电化学电池单体的制造期间，开放式流场需要很少(如果有的话)的特别关注。相比之下，所设计的流场可涉及在导电材料中模制和/或加工出多个流动通道。以这种方式限定所设计的流场可能会显著增加制造成本并且代表了有速度限制(rate-limiting)的制造步骤。可能非常难以以及时且成本有效的方式(特别是在连续的生产线上)实现在双极板内制造交指型流场。
鉴于前述内容，在本领域中将高度期望如下的电化学电池单体构造：其具有容易合并到电化学电池单体构造中且易于制造的、所设计的流场。本公开满足了前述需求并且也提供了相关优点。
发明内容
在一些实施例中，本公开提供了一种电化学电池单体，该电化学电池单体包含布置在第一半电池单体和第二半电池单体之间的离子传导性隔板(ionically conductiveseparator)、第一半电池单体中的第一双极板、以及第二半电池单体中的第二双极板。第一双极板和第二双极板中的至少一个是包括导电材料和阻挡材料的复合材料。该阻挡材料限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料。在复合材料中，所述多个流动通道彼此流体连通。电化学电池堆能够包含彼此邻接在一起的多个电化学电池单体。
在其它各种实施例中，用于形成电化学电池单体的方法可以包括：将阻挡材料浸注到导电材料的一部分中以形成复合材料；以及，制造电化学电池单体，该电化学电池单体包含第一半电池单体中的第一双极板和第二半电池单体中的第二双极板。第一半电池单体和第二半电池单体由离子传导性隔板分隔开。第一双极板和第二双极板中的至少一个包含所述复合材料。所述阻挡材料限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料。在复合材料中，所述多个流动通道彼此流体连通。
在又一些其它各种实施例中，用于形成电化学电池单体的方法可以包括：将阻挡材料设置在导电材料上的层中，以形成复合材料；将阻挡材料的一部分从所述层去除，以限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开；以及制造电化学电池单体，该电化学电池单体包含第一半电池单体中的第一双极板和第二半电池单体中的第二双极板。第一半电池单体和第二半电池单体由离子传导性隔板分隔开。第一双极板和第二双极板中的至少一个包含所述复合材料。所述多个流动通道相对于离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料。在复合材料中，所述多个流动通道彼此流体连通。
前文已经相当宽泛地概述了本公开的特征，以便能够更好地理解随后的详细描述。在下文中，将描述本公开的另外的特征和优点。从以下描述中，这些及其它优点和特征将变得更明显。
附图说明
为了更彻底地理解本公开及其优点，现在参考与描述本公开的具体实施例的附图相结合地进行的以下描述，其中：
图1示出了包含单个电化学电池单体的示例性液流电池的示意图；
图2示出了包含双极板的示例性电化学电池单体的概括性示意图；
图3示出了包含图2的电化学电池单体的示例性电化学电池堆的概括性示意图；
图4示出了在相邻的电化学电池单体之间具有共用的双极板的示例性电化学电池堆的概括性示意图；
图5示出了在相邻的半电池单体之间具有框架层和可压缩密封件的示例性电化学电池单体构造的分解图，其中，各种电池单体部件被彼此间隔开以示出细节；
图6a示出了从图5的电化学单元电池的阴极侧观察的更详细视图；
图6b示出了从图5的电化学单元电池的阳极侧观察的更详细视图；
图7示出了各种电池单体部件彼此完全邻接在一起的、图5的电化学电池单体的截面图；
图8示出了另一示例性电化学电池单体构造的分解图，其中，各种电池单体部件被彼此间隔开以示出细节；
图9示出了各种电池单体部件彼此完全邻接在一起的、图8的电化学电池单体的截面图；
图10示出了示例性电化学电池单体的示意的俯视图，该电化学电池单体包含其中限定有多个流动通道的双极板；
图11示出了示例性电化学半电池单体的示意的侧视图，该电化学半电池单体包含其中浸注有阻挡材料的双极板；
图12示出了示例性电化学半电池单体的示意的侧视图，该电化学半电池单体包含具有阻挡材料的双极板，该阻挡材料在双极板上布置为一层；
图13示出了整个电化学电池单体的示意的侧视图，在该电化学电池单体中，存在包含阻挡材料的双极板；
图14和15示出了示例性工艺的两个不同视图，热塑性聚合物能够通过该工艺被浸注到双极板的导电材料中；
图16示出了采用喷雾器的示例性的液体沉积工艺；
图17和图18示出了示例性工艺的两个不同视图，热塑性聚合物能够通过该工艺被层铺(layered)在双极板的导电材料上，并然后经历剥蚀以限定流动通道；并且
图19和图20示出了示例性连续生产线的概括性示意图，该连续生产线能够用于从该生产线在双极板中限定流动通道并组装电化学电池单体。
具体实施方式
本公开部分地涉及在双极板内具有所设计的流场的电化学电池单体。本公开还部分地涉及用于制造在双极板内具有所设计的流场的电化学电池单体的制造工艺。本公开还部分地涉及用于制造在双极板内具有所设计的流场的电化学电池单体的生产线系统。
通过参考与附图和示例相结合地进行的以下描述，可以更容易地理解本公开，所有这些都构成本公开的一部分。应当理解，本公开不限于本文中描述和/或示出的具体产品、方法、条件或参数。此外，本文中使用的术语仅是为了描述作为示例的特定实施例的目的，并非旨在是限制性的(除非另有说明)。类似地，除非另外特别说明，否则本文中涉及成分的任何描述都旨在表示该成分的固体和液体形式两者，包括包含该成分的溶液和电解质，以及包含这种溶液和电解质的电化学电池单体、液流电池和其它能量存储系统。此外，应该认识到，在本文中的公开描述了电化学电池单体、液流电池或其它能量存储系统的情况下，应当理解也隐含地描述了用于操作电化学电池单体、液流电池或其它能量存储系统的方法。
也应理解，为了清楚起见，在本文中可以在分别的实施例的上下文中描述本公开的一些特征，但也可以在单个实施例中彼此组合地提供这些特征。也就是说，除非明显不相容或明确排除，否则每个单独的实施例被视为能够与任何其它实施例组合，并且该组合被认为代表了另一不同的实施例。相反，为了简洁起见，也可以分别提供或以任何子组合的形式提供本公开的在单个实施例的上下文中描述的各种特征。最后，虽然特定实施例可以被描述为一系列步骤的一部分或者较通用结构的一部分，但每个步骤或子结构本身也可以被认为是独立的实施例。
除非另有说明，否则应该理解列表中的每个单独元素和该列表中单独元素的每种组合将被解释为不同的实施例。例如，呈现为“A、B或C”的实施例的列表将被解释为包括实施例“A”、“B”、“C”、“A或B”、“A或C”、“B或C”、或者“A，B或C”。
在本公开中，冠词“一”、“一个”和“该”的单数形式也包括对应的复数引用，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文另有明确指示。因此，例如，对“一种材料”的引用是引用这种材料及其等同物中的至少一种。
通常，使用术语“约”指示近似值，该近似值可以根据由所公开的主题寻求获得的期望的属性而变动，并且以与上下文相关的方式基于功能性来解释。因此，本领域普通技术人员将能够根据个例情况来解释变动的程度。在一些情况下，表达特定值时使用的有效数字的数目可以是确定术语“约”所允许的变动的典型技术。在其它情况下，可以使用一系列值中的等级来确定术语“约”所允许的变动的范围。此外，本公开中的所有范围都是包含性且可组合的，并且对范围内规定的值的引用包括该范围内的每一个值。
如上文所讨论的，可能非常希望在保持高效率值的同时能够大规模地工作的能量存储系统。在此方面，液流电池已引起了极大的兴趣，但尚未开发出真正在商业上可行的液流电池技术。电化学电池单体(包括液流电池中利用的电化学电池单体)的一个期望的特征是用于高效地分配电解质溶液的结构。如果没有适当地分配电解质溶液，则可能发生低效的电池单体操作并且/或者寄生反应的发生率可能增加。
尽管所设计的流场能够通过容纳在电化学电池单体中的双极板而被引入到电化学电池单体中，但用于这么做的当前技术通常是费力、昂贵且耗时的。更具体来说，用于在双极板中引入所设计的流场的当前技术涉及在导电材料中模制或加工出多个流动通道。模制和加工操作本身很慢，并且可能妨碍这样的工艺被合并到连续生产线内。交指型流场架构代表了一种可能期望引入到电化学电池单体中的所设计的流场。然而，当前难以使用目前可用的技术、特别是以高生产量的方式来实现这一点。
本发明人发现了如下的电化学电池单体构造：在所述电化学电池单体构造中，能够容易地修改该构造中的双极板以限定该构造中的多个准交指型流动通道(quasi-interdigitated flow channel)。尽管常规的交指型流动通道是通过对导电材料进行加工或模制来生产的，但本发明人发现能够通过选择性地将阻挡材料放置在导电材料中或导电材料上来制造准交指型流动通道。如本文中所用，术语“阻挡材料”将指任何能够填充导电材料中的孔空间的一部分并建立电解质溶液不能行进的不可渗透区域的物质。通过将阻挡材料放置在导电材料内和/或导电材料上的指定位置，其余的导电材料能够提供与由交指型流场所提供的流动分配属性类似的流动分配属性。下面是此方面的进一步公开。
以本文中所述的方式利用阻挡材料能够生产部分闭合的流动通道和开放式的流动通道。在部分闭合的流动通道构造中，导电材料填充流动通道的内部，并且阻挡材料限定流动通道的外边界。导电材料的互连孔可以允许通过流动通道仍发生流体流动。也就是说，与阻挡材料相比，导电材料对流体流动的阻碍较小。在开放式的流动通道构造中，阻挡材料再次限定流动通道的外边界，但在这种情况下，流动通道的内部未被双极板的导电材料填充。在一些情形中，流动通道的内部能够填充有电极材料。在下文中进一步讨论每种构造。
有利的是，能够以各种方式将合适的阻挡材料合并到导电材料上或导电材料中，这允许容易地限定流动通道。更具体来说，可以通过加成法或减成法(additive orsubtractive processes)在导电材料中限定流动通道。加成法以如下方式选择性地引入阻挡材料：即，流动通道变成直接在加成法期间被限定。相比之下，减成法均匀地(即，非选择性地)引入阻挡材料，然后能够选择性地进行一部分阻挡材料的去除，以在导电材料中或导电材料上限定流动通道。用于在导电材料中限定流动通道的加成法和减成法都可以与各种高生产量制造技术兼容。例如，本公开的电化学电池单体构造可以完全或基本由从卷状源(rolled sources)供应到生产线的材料制造。下文接着是此方面的进一步公开。
在进一步讨论其中准交指型流场能够被引入到双极板中的电化学电池单体构造和工艺之前，首先将提供液流电池及其各种部件的简要概述。图1示出了包含单个电化学电池单体的示例性液流电池的示意图。与其中活性材料和其它部件被容纳在单个组件中的典型电池技术(例如锂离子、镍金属氢化物、铅酸电池等)不同，液流电池通过电化学电池堆从储存罐输送(例如通过泵送)氧化还原活性的能量存储材料。这一设计特征将电能存储系统功率与能量存储容量分离，从而允许相当大的设计灵活性和成本优化。
如图1中所示，液流电池系统1包括电化学电池单体，该电化学电池单体的特征在于将电化学电池单体的两个电极10和10'分隔开的隔板20(例如膜)。电极10和10'由合适的导电材料形成，例如金属、碳、石墨等。罐50容纳第一活性材料30，该第一活性材料30能够在氧化态和还原态之间循环。
泵60实现第一活性材料30从罐50到该电化学电池单体的输送。该液流电池也合适地包括容纳第二活性材料40的第二罐50'。第二活性材料40可以是与活性材料30相同的材料，或者第二活性材料40可以是不同的。第二泵60'能够实现第二活性材料40到该电化学电池单体的输送。泵也能够用于实现所述活性材料从电化学电池单体回到罐50和50'的输送(图1中未示出)。实现流体输送的其它方法(例如虹吸管)也能够合适地将第一活性材料30和第二活性材料40输送到该电化学电池单体中以及从该电化学电池单体中输送出来。图1中还示出了电源或负载70，该电源或负载70使电化学电池单体的电路完整并允许用户在电化学电池单体的工作期间收集或存储电力。
应该理解，图1描绘了液流电池的具体的非限制性的构造。因此，相对于图1的构造，符合本公开的精神的液流电池和电化学电池单体可以在各个方面不同。作为一个示例，液流电池系统可以包括一种或多种活性材料，所述活性材料是固体、气体和/或溶解在液体中的气体。活性材料能够储存在罐中、在向大气开放的容器中或者简单地排放到大气中。
如本文中所用，术语“隔板”和“膜”将指设置在电化学电池单体的正电极和负电极之间(即，在负的半电池单体和正的半电池单体之间)的、离子传导性的且电绝缘的材料。该隔板在一些实施例中可以是膜和/或在其它各种实施例中可以是离聚物膜(ionomermembrane)。在一些实施例中，该隔板能够由离子传导性聚合物形成。
聚合物膜可以是阴离子或阳离子传导性电解质。当被描述为“离聚物”时，该术语是指含有电中性重复单元和电离重复单元的聚合物膜，其中，电离重复单元是悬垂部(pendant)且共价键合到聚合物主链。通常，电离重复单元的比例可以在约1摩尔百分数至约90摩尔百分数的范围内。离聚物中的电离重复单元可包括阴离子官能团，例如磺酸盐、羧酸盐等。这些官能团能够通过单价、二价或更高价的阳离子(例如碱金属或碱土金属)来电荷平衡。离聚物也能够包括含有附着或嵌入的季铵、锍、磷腈和胍盐残留物或盐的聚合物合成物。合适的示例对于本领域普通技术人员来说将是熟悉的。
在一些实施例中，可用作隔板的聚合物能够包括高度氟化或全氟化的聚合物主链。可用于本公开中的一些聚合物能够包括四氟乙烯与一种或多种氟化的酸官能共聚单体的共聚物，该共聚物是市售的，作为来自杜邦(DuPont)的NAFIONTM全氟化聚合物电解质。其它可用的全氟化聚合物能够包括四氟乙烯与FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF＝CF2的共聚物、FLEMIONTM以及SELEMIONTM。
此外，也能够使用以磺酸基团(或阳离子交换的磺酸盐基团)改性的基本非氟化的膜。这种膜能够包括具有基本芳族主链的膜，例如聚苯乙烯、聚亚苯、联苯砜(BPSH)，或诸如聚醚酮和聚醚砜的热塑性塑料。
也能够使用电池隔板式多孔膜作为隔板。因为它们不具有固有的离子传导能力，所以通常用添加剂来浸注这种膜以发挥功能。这些膜通常含有聚合物和无机填料的混合物，以及开放式气孔。合适的聚合物可以包括例如高密度聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)。合适的无机填料可以包括碳化硅基质材料、二氧化钛、二氧化硅、磷化锌和二氧化铈。
隔板也能够由聚酯、聚醚酮、聚(氯乙烯)、乙烯基聚合物和取代的乙烯基聚合物形成。这些可以被单独使用或者与任何先前描述的聚合物组合使用。
多孔隔板是非导电膜，其允许在两个电极之间经由填充有电解质的开放式通道的电荷转移。多孔隔板的孔径分布能够足以基本防止活性材料在两种电解质溶液之间的跨界(crossover)。合适的多孔膜能够具有在约0.001纳米和20微米之间、更典型地在约0.001纳米和100纳米之间的平均孔径分布。多孔膜中的孔的尺寸分布可以相当大。换句话说，多孔膜可以包含具有非常小的直径(约小于1纳米)的第一多个孔和具有非常大的直径(约大于10微米)的第二多个孔。较大的孔径可能导致较高量的活性材料跨界。多孔膜的基本上防止活性材料跨界的能力能够取决于平均孔径和活性材料之间的相对尺寸差异。例如，当活性材料是配位复合物中的金属中心时，该配位复合物的平均直径可以大约比多孔膜的平均孔径大50％。另一方面，如果多孔膜具有基本一致的孔径，则配位复合物的平均直径可以大约比多孔膜的平均孔径大20％。同样，当配位复合物与至少一个水分子进一步配位时，该配位复合物的平均直径增加。通常将至少一个水分子的配位复合物的直径认为是流体动力学直径。在这种实施例中，流体动力学直径通常比平均孔径大至少约35％。当平均孔径基本一致时，流体动力学半径可以大约比平均孔径大10％。
在一些实施例中，为了更高的稳定性，隔板也可以包括增强材料。合适的增强材料可以包括例如尼龙、棉、聚酯、结晶二氧化硅、结晶二氧化钛、无定形二氧化硅、无定形二氧化钛、橡胶、石棉、木材或其任意组合。本领域普通技术人员可以想到其它合适的增强材料。
其中的隔板可以具有小于约500微米、或小于约300微米、或小于约250微米、或小于约200微米、或小于约100微米、或小于约75微米、或小于约50微米、或小于约30微米、或小于约25微米、或小于约20微米、或小于约15微米、或小于约10微米的膜厚度。合适的隔板可以包括其中当该隔板具有100微米的厚度时、液流电池能够以大于约85％的电流效率和100mA/cm2的电流密度工作的隔板。在其它实施例中，当隔板具有小于约50微米的厚度时，液流电池能够在大于99.5％的电流效率下工作，当隔板具有小于约25微米的厚度时，液流电池能够在大于99％的电流效率下工作，并且当隔板具有小于约10微米的厚度时，液流电池能够在大于98％的电流效率下工作。因此，合适的隔板包括其中液流电池能够在大于60％的电压效率下以100mA/cm2的电流密度工作的隔板。在进一步的实施例中，合适的隔板可以包括其中液流电池能够在大于70％、大于80％或甚至大于90％的电压效率下工作的隔板。
液流电池也可以包括与第一和第二电极电连通的外部电路。该电路能够在工作期间对液流电池充电和放电。关于第一、第二活性材料或这两个活性材料的净离子电荷的符号与在液流电池的工作条件下、氧化还原活性材料的氧化的形式和还原的形式中的净离子电荷的符号有关。液流电池的其它示例性实施例提供了：(a)第一活性材料具有伴随的净正电荷或负电荷，且能够在系统的负工作电位范围内的电位上提供氧化的形式或还原的形式，使得所得到的第一活性材料的氧化的形式或还原的形式具有与第一活性材料相同的电荷符号(正或负)，并且离聚物膜也具有相同符号的净离子电荷；并且(b)第二活性材料具有伴随的净正电荷或负电荷，且能够在系统的正工作电位范围内的电位上提供氧化的形式或还原的形式，使得所得到的第二活性材料的氧化的形式或还原的形式具有与第二活性材料相同的电荷符号(正号或负号)，并且离聚物膜也具有相同符号的净离子电荷；或者(a)和(b)。第一和/或第二活性材料和离聚物膜的匹配的电荷能够提供高的选择性。更具体来说，如可归因于第一或第二活性材料的，电荷匹配能够提供小于约3％、小于约2％、小于约1％、小于约0.5％、小于约0.2％或小于约0.1％的、通过离聚物膜的离子的摩尔通量。术语“离子的摩尔通量”是指通过离聚物膜的离子的量，平衡与外部电力/电子流相关的电荷。
例如，电极材料可以包括碳和各种金属。非导电性塑料材料也可以构成电极材料的一部分。在一些实施例中，电极可以具有沉积在其上的催化剂。电极材料上也可以存在其它类型的层。可选的层的功能可以包括例如辅助电池单体组件、改善接触电阻和/或为隔板提供保护。
尽管图1中未示出，但电化学电池单体也可以包括设置在每个半电池单体中的双极板。双极板可以允许多个电化学电池单体彼此串联连接，其中，双极板用于在彼此邻接在一起的相邻的电化学电池单体之间建立电连通。因此，双极板可以由任何合适的对电解质溶液也是基本不可渗透的导电材料形成，以防止电解质溶液离开其预期的半电池单体。在一些实施例中，用于形成双极板的合适的导电材料可以包括例如无纺碳纸、编织碳布、碳毡和碳泡沫。由于前述材料能够形成根据本文中的公开内容的准交指型流动通道，所以前述材料可以是特别合适的。如上所述，这些特征可以帮助电解质溶液均匀地分配在电化学电池单体的隔板和/或电极的表面上。在其它情况下，可以使用柔性石墨箔、膨胀石墨箔、或者金属膜、箔或片来形成双极板。
图2示出了包含双极板的示例性电化学电池单体的概括性示意图。如图2中所示，电化学电池单体80包含布置在隔板20的相反两侧的电极10和10'。双极板82和82'分别在每个半电池单体中接触电极10和10'。在替代构造中(图2中未示出)，电极10和10'可以是可选的，并且双极板82和82'可以直接接触隔板20，在这种情况下，除了促进电化学电池堆中的相邻的电化学电池单体之间的电连通之外，双极板82和82'还用作电极。
图3示出了包含图2的电化学电池单体的示例性电化学电池堆的概括性示意图。如图2中所示，在电化学电池堆84中，电化学电池单体80a、80b和80c彼此邻接，以便通过电化学电池单体80a、80b和80c的邻接的双极板建立电连通。在替代构造中，电化学电池堆也可以形成为使得它们在相邻的电化学电池单体之间共用双极板。图4示出了示例性电化学电池堆90的概括性示意图，该电化学电池堆90在相邻的电化学电池单体92a、92b和92c之间具有共用的双极板。尽管在图4中单元电池的结构略有不同，但本领域普通技术人员可以想到如何通过将电池单体的各种部件依次放置在彼此之上来制造这种电化学电池堆。在一些情形中，可以在相邻的电化学单元电池之间放置不可渗透且导电的屏障，以阻止不希望的电解质溶液的转移。
除了隔板以及每个半电池单体中的双极板和可选的电极之外，电化学电池单体还可以包括一个或多个框架层。通常，框架层可以与双极板、电极和隔板联接，以在每个半电池单体中提供流体密封并将半电池单体的部件保持在一起。更具体来说，如本文中进一步讨论的，所述流体密封可以允许电解质溶液被循环通过每个半电池单体。此外，在每个半电池单体中，所述框架层能够使双极板和/或电极保持抵靠隔板，从而为电化学电池单体提供结构完整性。更进一步，所述框架层中的一个或多个可以提供导管，电解质溶液能够通过该导管经由流体入口歧管和出口歧管输送到双极板以及从双极板收回。
图5示出了在相邻的半电池单体之间具有框架层和可压缩密封件的示例性电化学电池单体构造的分解图，其中，各种电池单体部件彼此间隔开以示出细节。实际上，例如如图7所示，各种电池单体部件彼此接触。电化学电池单体100包括布置在中心的隔板102。阴极104和阳极106被邻接在隔板102的相反两侧上。如上所述，阴极104和阳极106可以是可选的，并且替代地，双极板160和160'可以提供导电表面。可压缩密封件110和110'围绕隔板102的外周布置(图5中未示出可压缩密封件110')。图6A示出了从电化学电池单体102的阴极侧观察的更详细视图，其中可以更清楚地看到可压缩密封件110的布置。图6B示出了从阳极侧观察的对应视图。
各种框架层可以容纳隔板102、阴极104和阳极106。此外，所述框架层可以提供密封腔室，通过该密封腔室，电解质溶液能够被循环通过给定的半电池单体。框架层120和120'包括各自的窗口122和122'。如图6A和图6B中更详细示出的，窗口122和122'被设定尺寸，使得框架层120和120'围绕可压缩密封件110和110'的外周配合。尽管图6A和图6B已分别示出了与可压缩密封件110和110'直接接触的框架层120和120'，但应该认识到，取决于窗口122和122'的尺寸，在可压缩密封件和框架层之间可以存在一些开放空间。开放空间的量可以决定可压缩密封件110和110'在经受压缩时能够向外膨胀多少。
继续参考图5，框架层130和130'分别接触框架层120和120'，同时也分别接触可压缩密封件110和110'。在框架层130和130'中分别限定有窗口132和132'。窗口132和132'在尺寸上小于窗口122和122'，以允许框架层130和130'接触可压缩密封件110和110'。除了决定可压缩密封件110和110'能够被压缩的程度之外，框架层120和120'还提供稳定的结构，框架层130和130'能够抵靠该稳定的结构提供压缩力。框架层140和140'分别接触框架层130和130'，并且其中也分别限定有窗口142和142'。此外，框架层140和140'包含分别限定在其中的流动分配通道144和144'，该流动分配通道144和144'延伸到由窗口142和142'限定的内部空间。流动分配通道144和144'允许将电解质溶液独立地(例如从流体分配歧管)提供到电化学单元电池100的两个半电池单体。在其它框架层中，也可以限定类似的流动分配通道。
可以将电解质溶液从布置在框架层150和150'内的开口分别提供至流动分配通道144和144'，从而提供了电解质溶液进出相应的半电池单体的位置。例如，框架层150和150'中的开口可以连接到流体分配歧管，以将电解质溶液分别提供至两个半电池单体。这些框架层中的每一个均具有对应的开口，从而允许电解质溶液在电化学电池堆中从一个电池单体到另一个电池单体。所述开口和任何相关的流动分配通道将每种电解质溶液仅提供至液流电池的一个半电池单体。
仍参考图5，电化学电池单体100还包括框架层150和150'，该框架层150和150'具有分别限定在其中的窗口152和152'。双极板160和160'填充对应的框架层150和150'的窗口152和152'，以便在电化学电池堆中的相邻的电化学电池单体之间提供流体隔离。将双极板160和160'粘附到相应的框架层150和150'阻止了在成品电池单体中电解质溶液围绕双极板160和160'泄漏。双极板160进一步延伸穿过窗口122、132和142并接触阴极104。替代地，双极板160可以直接接触隔板102。类似地，双极板160'进一步延伸穿过窗口122'、132'和142'，并接触阳极106或接触隔板102的相反侧。在示例性实施例中，每个框架层可以由绝缘材料形成，特别是热塑性材料，例如聚乙烯或其它聚烯烃材料。
图7示出了各种电池单体部件彼此完全邻接在一起的、图5的电化学电池单体的截面图。框架层120、130、140、150、120'、130'、140'和150'可以共同限定隔板102的相反两侧上的腔室，电解质溶液可以通过该腔室被循环。也就是说，框架层120、130和140与隔板102、可压缩密封件110和双极板160一起共同限定了第一电解质溶液可以通过其在阴极104周围流动的封闭腔室。类似地，框架层120'、130'、140'、隔板102、可压缩密封件110'和双极板160'限定了第二电解质溶液可以通过其在阳极106周围流动的封闭腔室。各个腔室的容积例如由各个框架层的厚度和对应窗口的尺寸决定。
图8示出了另一示例性电化学电池单体构造的分解图，其中，各种电池单体部件彼此间隔开以示出细节。图8中的电化学电池单体200与图5、图6A、图6B和图7的电化学电池单体100的主要区别在于：在电化学电池单体200中，省略了可压缩密封件110和110'。在其它方面，图8中的电化学电池单体构造的元件与前述附图中的元件类似，因此将使用相同的附图标记。类似地，除非在替代性的电池单体构造中共同元件的布置不同，否则将不再详细描述图8中的共同元件。
在图8的电池单体构造中，框架层120和120'与隔板102的相反两侧直接接触并粘合到隔板102的相反两侧。这种类型的直接粘合能够以与图5的电池单体构造中的可压缩密封件110和110'所提供的方式类似的方式来促进密封。因此，在图8的电化学电池单体构造中可以省略可压缩密封件110和110'，同时仍允许形成流体密封。所得到的图5的电池单体构造和图8的电池单体构造之间的区别在于，在后者中，两个半电池单体在隔板102处彼此连接，而在前者中，能够通过消除框架层120和120'在可压缩密封件110和110'上的约束压力来拆解电化学电池单体。图9示出了各种电池单体部件彼此完全邻接在一起的、图8的电化学电池单体的截面图。
现在将更详细地描述具有准交指型流动通道的双极板和电化学电池单体的各种构造。在各种实施例中，本公开的电化学电池单体可以包括设置在第一半电池单体和第二半电池单体之间的离子传导性隔板、在第一半电池单体中的第一双极板、以及在第二半电池单体中的第二双极板。第一双极板和第二双极板中的至少一个均为包含导电材料和阻挡材料的复合材料。该阻挡材料限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料，使得所述多个流动通道在该复合材料中彼此流体连通。在下文和附图中提供了更具体的细节。
如上所述，电极能够可选地存在于每个半电池单体中，或者第一双极板和第二双极板能够接触离子传导性隔板的相反两侧。因此，在一些实施例中，本公开的电化学电池单体还可以包括在第一半电池单体中的第一电极和在第二半电池单体中的第二电极，其中，第一电极介于第一双极板和离子传导性隔板之间，并且第二电极介于第二双极板和离子传导性隔板之间。在其中存在第一电极和第二电极的实施例中，第一双极板可以接触第一电极，并且第二双极板可以接触第二电极。在其中不存在第一电极和第二电极的实施例中，第一双极板和第二双极板可以接触离子传导性隔板的相反两侧。
如上所述，合适的阻挡材料可以包括任何对于电解质溶液基本不可渗透的物质。合适的阻挡材料可以包括例如各种聚合物材料。在更特定的实施例中，合适的阻挡材料可以包括各种热塑性聚合物。因为热塑性聚合物能够相对容易地被选择性地浸注到导电材料中或层铺在导电材料上，所以热塑性聚合物可以是特别合适的。如下文中所讨论的，阻挡材料的两种布置都可以用于在双极板上限定流动通道。
在其它实施例中，本公开的电化学电池单体可以包括流体入口歧管和流体出口歧管，该流体入口歧管被构造成将第一电解质溶液提供至第一双极板并将第二电解质溶液提供至第二双极板，该流体出口歧管被构造成从第一双极板收回第一电解质溶液并从第二双极板收回第二电解质溶液。更具体来说，流体入口歧管和流体出口歧管可以构造成向所述复合材料内的交替流动通道提供和从所述复合材料内的交替流动通道收回第一电解质溶液和第二电解质溶液。在其它方面，流体入口歧管和流体出口歧管的结构不被认为是特别受限的。
在更特定的实施例中，流体入口歧管和流体出口歧管可以构造成在第一双极板和第二双极板的相反的横向面上提供和收回第一电解质溶液和第二电解质溶液。以这种方式引入和收回第一电解质溶液和第二电解质溶液可以允许建立与由交指型流动通道所提供的流场类似的流场。
现在将参考图10至图17更详细地描述包含准交指型流动通道的双极板。为了能够更好地理解流动通道中的流动动态，图10示出了双极板以上文所述的方式与流体入口歧管和流体出口歧管的连接。
图10示出了示例性电化学电池单体的示意的俯视图，该电化学电池单体包含其中限定有多个流动通道的双极板。如图10中所示，电化学电池单体300包含双极板150，该双极板150具有与其集成在一起的阻挡材料310。阻挡材料310的布置在双极板150内限定了流动通道320a-320f。在下文更详细地描述的图11至图16中提供了阻挡材料310如何集成在双极板150内的进一步讨论。
电化学电池单体300还包含流体入口歧管330，该流体入口歧管330被构造成将电解质溶液提供到第一多个流动通道320a-320f、以及流体出口歧管340，该流体出口歧管340被构造成将该电解质溶液从第二多个流动通道320a-320f收回。如图10中所描绘的，电解质溶液的输入和收回发生在双极板150的相反的横向面上。更具体来说，第一多个流动通道320a-320f和第二多个流动通道320a-320f以交替的样式布置。由于流动通道320a-320f在双极板150内彼此流体连通，因此电解质溶液可以在相邻的流动通道之间横越。因此，可以通过第一流动通道引入电解质溶液，然后通过与第一流动通道相邻的第二流动通道收回电解质溶液。
在一些实施例中，一个或多个框架层可以构造成使得电解质溶液被提供到交替的流动通道和从交替的流动通道收回。
在讨论图11至图17之前，应该认识到，图10中的流动通道320a-320f的数量和宽度仅仅是示例性的，并且可以被改变以满足特定应用的需要。此外，尽管图10已经将流动通道320a-320f描绘为大致线性的并且彼此平行，但在替代实施例中，流动通道320a-320f的非平行或甚至随机的布置是可能的，只要相邻的流动通道之间的流体连通保持可行即可。在一些实施例中，流动通道可以是非相交的。
在更特定的实施例中，在双极板内限定的流动通道的数量的范围可以在约5和约500之间，或者在约4和约10之间，或者在约10和约100之间。在一些或其它实施例中，在双极板内限定的流动通道的宽度的范围可以在100微米至约10毫米之间，或者在约100微米至约1毫米之间，或者在约1毫米至约10毫米之间。双极板内的流动通道可以是与本公开的各种实施例一致的填充式流动通道或开放式流动通道的任意组合。
如上所述，阻挡材料相对于双极板的各种布置是可能的，以便在双极板中限定多个流动通道。在一些实施例中，如图11中所示，可以将阻挡材料浸注到限定了双极板的导电材料中。在其它实施例中，如图12中所示，阻挡材料可以构成导电材料上的一层。在具有分层的实施例中，也可以发生阻挡材料的至少部分的浸注。现在，将在下文中更详细地描述这些构造中的每一个。尽管在图11和图12中阻挡材料构造彼此有一些相似性，但如下文进一步详细讨论的，生产它们的方法可以相差悬殊。
图11示出了示例性电化学半电池单体的示意的侧视图，该电化学半电池单体包含其中浸注有阻挡材料的双极板。如图11中所示，阻挡材料310被完全浸注在双极板150的内部，从而在双极板150中限定流动通道320a-320f。如图11中所描绘的，流动通道320a-320f构成双极板150的位于虚线上方并用导电材料填充的部分。因此，沿着流动通道320a-320f的长度的流体流动是通过导电材料内的现有的孔空间而发生的。流动通道320a-320f经由双极板150的其余部分(即双极板150的在虚线下方的部分)彼此流体连通。
图11中也示出了双极板150内的流体流动动态。由于电解质溶液被引入到流动通道320a、320c和320e(参见图10)中，流动通道320a、320c和320e中的每一个均具有入口(即，由流体入口歧管330提供的入口)但没有沿着其长度的出口，因此随着电解质溶液从流体入口前进离开，流体流动动态使电解质溶液分流到相邻的流动通道320b、320d和320f中。相反，流动通道320b、320d和320f具有出口(即，由流体出口歧管340提供的出口)但没有流体入口。由于流动通道320a仅与流动通道320b相邻，因此流动通道320a的电解质溶液通过主要到该流动通道的对流而行进。类似地，流动通道320f基本仅从流动通道320e接收电解质溶液。双极板150的内部上的流动通道320b-320e向两个相邻的流动通道提供电解质溶液或从两个相邻的流动通道接收电解质溶液。再次，需要强调的是，图11中的流动通道320a-320f的数量、宽度和其它参数仅是示例性的。此外，尽管图11已经示出了阻挡材料310被完全浸注在双极板150内，但应认识到，在一些实施例中，这种浸注可以是部分的，在此情况下，流动通道320a-320f的一部分可以位于限定双极板150的导电材料的外部。因此，在一些实施例中，流动通道320a-320f可以是部分开放的。在图12的替代构造中示出了与此类似的阻挡材料布置，下文进一步讨论了这一点。尽管图11已示出了流动通道320a和320f被限定在双极板150的边缘处，但应认识到，也可以通过沿着双极板150的边缘布置另外的阻挡材料310而将流动通道320a和320f限定在内部上。
图12示出了示例性电化学半电池单体的示意的侧视图，该电化学半电池单体包含具有阻挡材料的双极板，该阻挡材料在双极板上布置为一层。尽管图12已示出了该层中的阻挡材料310未被浸注在双极板150的导电材料内，但应认识到，如上文关于图11简要讨论的，可以通过将阻挡材料150部分地或完全浸注在双极板的导电材料内来实现类似的构造。如图12中所示，阻挡材料310被布置为双极板150上的局部层，从而在阻挡材料310之间限定了流动通道320a-320f。与图11的构造相比，在图12中，流动通道320a-320f是开放的。然而，在一些实施例中，流动通道320a-320f可以填充有与双极板150接触的电极材料。如同图11的构造，流动通道320a-320f经由双极板150彼此流体连通，并且流体流动动态也是类似的。
图13示出了整个电化学电池单体的示意的侧视图，在该电化学电池单体中，存在包含阻挡材料的双极板。尽管图13已示出了图11的阻挡材料构造，但应认识到，图12的阻挡材料构造可以类似地被合并到该整个电化学电池单体内。为了清楚起见，图13中已省略了整个流体入口歧管320和流体出口歧管330。而是，在图13中用虚线示出了入口位置340a,340a'、340c,340c'和340e,340e'，并且在相应的半电池单体中用实线示出了出口位置340b,340b'、340d,340d'和340f,340f'。因此，电解质溶液的引入和收回能够以与上文针对图10所述的方式类似的方式进行。不可渗透且导电的层可以盖住双极板150和150'，以促使每种电解质溶液保持在其各自的半电池单体中。该不可渗透层和导电层能够进一步防止电解质溶液在电化学电池堆中的相邻的电化学电池单体之间的泄漏。
在其它实施例中，本文中公开了电化学电池堆，该电化学电池堆包含多个串联连接的电化学电池单体。上文中关于图3和图4描述了示例性构造，并且将不再详细描述这些示例性构造。在更特定的实施例中，如图3中所示，该电化学电池堆可以具有彼此邻接在一起的相邻的电化学电池单体。
在其它实施例中，可以在电化学电池堆中的相邻的电化学电池单体之间布置附加的导电层。在示例性实施例中，如果限定双极板的导电材料不能使电化学电池单体与相邻的电池单体保持流体隔离，则可以在相邻的电化学电池单体之间放置附加的导电层。
另外，尽管附图已将第一双极板和第二双极板描绘为单独的实体，但应认识到，可以在电化学电池堆中的相邻的电化学电池单体之间共用双极板。也就是说，在一些实施例中，第一电化学电池单体的双极板可以被共用为第二电化学电池单体的第二双极板。在上文讨论的其它实施例中，来自相邻的电化学电池单体的双极板可以彼此邻接在一起。
在一些或其它实施例中，本文中公开的电化学电池单体和电化学电池堆可以被合并到液流电池或类似的电化学系统中。在上文中更详细地讨论了示例性的液流电池构造。可在其中应用本公开的电化学电池单体和电化学电池堆的其它电化学系统例如包括电解器和燃料电池系统。
在一些实施例中，合并了本公开的电化学电池单体的液流电池适合于数小时时长的持续充电或放电循环。因此，它们能够用于使能量供应/需求曲线平稳并提供用于稳定间歇性发电资产(例如来自诸如太阳能和风能的可再生能源)的机制。然后，应当理解，本公开的各种实施例包括期望这种长的充电或放电时长的能量存储应用。例如，在非限制性示例中，液流电池可以连接到电网以允许可再生能源整合、峰值负荷移动、电网固化(gridfirming)、基荷发电和消耗、能量套利、输电和配电资产延期、弱电网支持、频率调节或其任意组合。当未连接到电网时，液流电池可以用作用于远程营地、前线操作基地、离网远程通信、远程传感器等及其任意组合的电源。此外，应当理解，除了液流电池之外的电化学能量存储介质也可以合并本文中公开的电化学电池单体，包括利用静止的电解质溶液的电化学电池单体。
在另外的实施例中，本公开的电化学电池单体、电化学电池堆和液流电池可以被合并到更大的能量存储系统中，适当地包括可用于操作这些大型单元的管道和控制器。适用于这种系统的管道、控制器和其它设备在本领域中是已知的，并且可以包括例如用于将电解质溶液移入和移出电池单体的与各个腔室流体连通的管道和泵以及用于保存充电和放电的电解质的储存罐。也可以存在操作管理系统。该操作管理系统可以是任何合适的控制器装置，例如计算机或微处理器，并且可以包含逻辑电路，该逻辑电路设定各种阀、泵、循环回路等中的任何一个的操作。
现在将更详细地描述用于制造包含双极板的电化学电池单体的方法，该双极板中合并了阻挡材料。这些方法在本文中可以被称为“加成法”或“减成法”，取决于是仅将阻挡材料添加到导电材料中以限定流动通道(加成法)还是将阻挡材料添加到导电材料中并然后去除阻挡材料的一部分(减成法)。
在更具体的实施例中，用于在导电材料内限定流动通道并形成电化学电池单体的加成法可以包括：将阻挡材料浸注到导电材料的一部分中以形成复合材料；以及，制造包含第一半电池单体中的第一双极板和第二半电池单体中的第二双极板的电化学电池单体，该第一双极板和第二双极板由离子传导性隔板分隔开。第一双极板和第二双极板中的至少一个包含所述复合材料。该复合材料被构造成使得所述阻挡材料限定多个流动通道，这些流动通道彼此间隔开并且相对于离子传导性隔板横向延伸穿过该复合材料。如上文所讨论的，所述多个流动通道在该复合材料中彼此流体连通，例如通过双极板的不包含阻挡材料的部分彼此流体连通。在其它实施例中，如上文所讨论的，所述方法可以包括使多个电化学电池单体彼此邻接在一起以形成电化学电池堆。
在一些实施例中，浸注该阻挡材料可以包括将热塑性聚合物热浸注到导电材料中。上文讨论了适合于此方面的示例性热塑性聚合物。热塑性聚合物在此方面特别有用，因为它们能够在基本固态形式和基本流态形式之间快速转变，它们能够以基本流态形式至少部分地渗透到导电材料的内部中。示例性的热浸注技术可以包括例如热轧、激光焊接、超声波焊接等。
在一些实施例中，将热塑性聚合物热浸注到导电材料中可以包括将多个间隔开的热塑性聚合物条施加到导电材料的表面。然后可以加热该热塑性聚合物和/或导电材料以使热塑性聚合物至少部分地渗透到导电材料的内部中。如上文所讨论的，该热塑性聚合物的浸注可以是全部或部分的，这可取决于允许进行热浸注的时间的长短。
图14和图15示出了示例性工艺的两个不同视图，热塑性聚合物能够通过该工艺被浸注到双极板的导电材料中。如图14和图15中所示，热塑性条350被施加到将变成双极板150的导电材料的表面上。之后，热塑性条350和/或双极板150可以经受加热以软化该热塑性材料并将其渗透到双极板150中。合适的加热技术不被认为是特别受限的，并且可以包括例如辐射加热、电阻加热、热空气循环、高压加热、激光加热、热层压辊等。热塑性条350在双极板150上的布置可以通过手动层铺或以任何自动或半自动的方式进行。例如，在一些实施例中，如下文中所讨论的，可以从连续生产线中的卷状源供给热塑性条350。在其它实施例中，热塑性条350能够以液体形式施加到双极板150，所述液体形式为例如从打印头、喷雾器或类似的精密沉积仪器施加的热塑性聚合物的熔体或溶液。在替代实施例中，可以类似地施加液体形式的其它阻挡材料，例如环氧树脂。在液相沉积期间，该阻挡材料的浸注可以与沉积同时发生，而不是作为分立的渗透步骤。图16示出了例如采用喷雾器359的示例性的液体沉积工艺。
在其它更具体的实施例中，用于在导电材料内限定流动通道并形成电化学电池单体的减成法可以包括：将阻挡材料在导电材料上布置为一层以形成复合材料；从该层去除阻挡材料的一部分以限定彼此间隔开的多个流动通道；以及，制造包含第一半电池单体中的第一双极板和第二半电池单体中的第二双极板的电化学电池单体，该第一双极板和第二双极板由离子传导性隔板分隔开。第一双极板和第二双极板中的至少一个包含该复合材料。该复合材料被构造成使得所述多个流动通道相对于离子传导性隔板横向延伸穿过该复合材料。如上文所讨论的，所述多个流动通道在该复合材料中彼此流体连通，例如通过双极板的不包含阻挡材料的部分彼此流体连通。在其它实施例中，如上文所讨论的，所述方法可以包括使多个电化学电池单体彼此邻接在一起以形成电化学电池堆。
在本发明的减成法中，阻挡材料可以在导电材料的表面上被沉积为基本连续的层，然后可以通过选择性剥蚀去除该阻挡材料的一部分以限定多个流动通道而作为非连续层。合适的剥蚀技术可以包括例如激光剥蚀、化学刻蚀及其组合。在一些实施例中，可以将掩模技术与化学刻蚀结合使用，使得该阻挡材料的期望部分能够被去除以限定流动通道。由于能够不使用与去除相结合的掩膜技术来理想地限定流动通道的精度，所以激光剥蚀可以是特别期望的。在一些实施例中，阻挡材料的剥蚀可以去除导电材料的一部分而不损害所得到的双极板的可操作性。
在更具体的实施例中，在导电材料上被沉积为一层的该阻挡材料可以是热塑性聚合物。合适的热塑性聚合物可以包括上文更详细讨论的热塑性聚合物。在其它实施例中，用于形成流动通道的减成法可以包括通过热浸注将阻挡材料至少部分地浸注到导电材料中。用于执行该热浸注操作的加热技术可以包括上文所讨论的加热技术。在一些实施例中，可以进行热浸注，使得热塑性聚合物仅非常轻微地渗透到导电材料中并在剥蚀之前保持为基本连续的表面层。
图17和18示出了示例性工艺的两个不同视图，热塑性聚合物能够通过该工艺被层铺在双极板的导电材料上，然后经受剥蚀以限定流动通道。如图17和图18中所示，热塑性聚合物被施加为将变成双极板150的导电材料的表面上的基本连续的层360。该热塑性聚合物然后可以经受至少部分热浸注，以将热塑性聚合物粘附到导电材料。之后，基本连续的层360可以经受剥蚀以限定非连续层370。非连续层370可以包括在双极板中限定开放式流动通道的多个条中的阻挡材料310。热塑性聚合物在基本连续的层360中的布置可以手动地或以任何自动或半自动的方式进行。例如，在一些实施例中，可以从连续生产线中的卷状源供给热塑性聚合物。在其它实施例中，热塑性聚合物能够以液体形式层铺在双极板150上，所述液体形式为例如从打印头、喷雾器或类似的沉积源施加的热塑性聚合物的熔体或溶液。也可以类似地施加和剥蚀液体形式的其它阻挡材料，例如环氧树脂。
用于在双极板中限定流动通道的所述加成法和减成法都能够适用于合并到用于生产电化学电池单体的连续生产线中。在更具体的实施例中，电化学电池单体可以由连续生产线中的卷状源材料制造。在一些实施例中，也可以在制造电化学电池单体之前在连续生产线中形成复合材料和该复合材料中的流动通道。在其它实施例中，可以在单独的生产线中形成复合材料和该复合材料中的流动通道，该生产线可以在被引入到形成电化学电池单体的生产线之前被重新配置。
图19和20示出了示例性连续生产线的概括示意图，该生产线可以用于在双极板中限定流动通道并由此组装电化学电池单体。如图19中所示，从卷盘400提供隔板材料并将其供给到工位411。卷盘420将导电材料供应到工位431，并且卷盘422将带状形式的热塑性聚合物供应到工位431。工位431包含辊432，并且在辊432处发生热塑性聚合物到导电材料中的热浸注。然后，所得到的复合材料被供给到工位411并通过卷盘412，其中发生了双极板和隔板的层压。然后，所得到的层压件离开工位411并被依次供给到分别包含辊440、450和460的工位441、451和461，在该辊440、450和460处，施加各种框架层以形成电化学电池单体。用于形成各种框架层的材料由卷盘438、448和458供应。应当理解，前述示意图具有广义性，并且可以在其中进行各种附加的工艺操作，为了简洁起见，已省略了这些附加的工艺操作。这种工艺操作可以包括例如模切、激光切割、冲压等。
图20与图19的不同之处主要在于图20还包括工位471，在工位471中发生了热塑性材料的剥蚀以限定流动通道。如图20中所示，剥蚀发生在将双极板层压到隔板之前。
如果本领域普通技术人员未在上文中另外限定或理解以下段落中的定义，则以下段落中的定义将适用于本公开。
如本文中所用，术语“能量密度”是指活性材料中每单位体积可以储存的能量的量。能量密度是指能量存储的理论能量密度，并且可以通过公式1来计算：
能量密度＝(26.8A-h/mol)x OCV x[e-] (1)
其中，OCV是50％的荷电状态下的开路电位，(26.8A-h/mol)是法拉第常数，并且[e-]是在99％的荷电状态下的储存在活性材料中的电子的浓度。在活性材料主要是正电解质和负电解质的原子或分子种类的情况下，[e-]可以通过公式2被计算为：
[e-]＝[活性材料]x N/2 (2)
其中，[活性材料]是负极电解质或正极电解质(取其较低者)中的活性材料的摩尔浓度，并且N为每分子活性材料转移的电子数。相关术语“电荷密度”是指每种电解质所含的电荷总量。对于给定的电解质，电荷密度可以通过等式3来计算：
电荷密度＝(26.8A-h/mol)x[活性材料]x N (3)
其中，[活性材料]和N如上文所定义。
如本文中所用，术语“电流密度”是指电化学电池单体中通过的总电流除以该电池单体的电极的几何面积，并且通常以mA/cm2为单位来记录。
如本文中所用，术语“电流效率”(Ieff)可以被描述为电池单体放电时产生的总电荷与充电期间通过的总电荷之比。电流效率可以是液流电池的荷电状态的函数。在一些非限制性实施例中，可以在约35％至约60％的荷电状态范围内评价电流效率。
如本文中所用，术语“电压效率”可以被描述为在给定电流密度下观察到的电极电位与该电极的半电池单体电位之比(x 100％)。可以针对电池充电步骤、放电步骤或“往返电压效率”来描述电压效率。可以使用公式4从电池单体的放电下的电压(Vdischarge)和充电下的电压(Vcharge)来计算给定的电流密度下的往返电压效率(Veff,RT)：
Veff,RT＝Vdischarge/Vcharge x 100％ (4)
如本文中所用，术语“负电极”和“正电极”是相对于彼此限定的电极，使得在充电循环和放电循环中，负电极在负于正电极的电位下工作或者被设计或意图在负于正电极的电位下工作(反之亦然)，独立于正电极和负电极工作时的实际电位。负电极实际可以或可以不相对于可逆氢电极在负电位下工作或者被设计或意图相对于可逆氢电极在负电位下工作。如本文中所述，负电极与第一电解质溶液相关联，并且正电极与第二电解质溶液相关联。与负电极和正电极相关的电解质溶液可以被分别描述为负性电解质(negolytes)和正性电解质(posolytes)。
尽管已经参考所公开的实施例描述了本公开，但本领域技术人员将容易理解，这些仅是本公开的示例性内容。应该理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可以进行各种修改。本公开可以被修改以合并此前未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替换或同等布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但应理解，本公开的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本公开不应被视为受限于前文的描述。

Claims (29)

1.一种电化学电池单体，包括：
离子传导性隔板，所述离子传导性隔板被布置在第一半电池单体和第二半电池单体之间；以及
在所述第一半电池单体中的第一双极板和在所述第二半电池单体中的第二双极板，所述第一双极板和所述第二双极板中的至少一个是包括导电材料和阻挡材料的复合材料；
其中，所述阻挡材料限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于所述离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料；并且
其中，所述多个流动通道在所述复合材料中彼此流体连通。
2.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述导电材料包括无纺碳纸、编织碳布、碳毡或碳泡沫。
3.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述多个流动通道在所述复合材料中基本彼此平行。
4.根据权利要求1所述的电化学电池单体，还包括：
在所述第一半电池单体中的第一电极和在所述第二半电池单体中的第二电极，所述第一电极介于所述第一双极板和所述离子传导性隔板之间，并且所述第二电极介于所述第二双极板和所述离子传导性隔板之间。
5.根据权利要求4所述的电化学电池单体，其中，所述第一双极板与所述第一电极接触，并且所述第二双极板与所述第二电极接触。
6.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述第一双极板和所述第二双极板与所述离子传导性隔板的相反两侧接触。
7.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述阻挡材料包括聚合物材料。
8.根据权利要求7所述的电化学电池单体，其中，所述聚合物材料包括热塑性聚合物。
9.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述阻挡材料被浸注到所述导电材料中。
10.根据权利要求1所述的电化学电池单体，其中，所述阻挡材料包括在所述导电材料上的层。
11.根据权利要求1所述的电化学电池单体，还包括：
流体入口歧管，所述流体入口歧管被构造成将第一电解质溶液提供到所述第一双极板，并将第二电解质溶液提供到所述第二双极板；以及
流体出口歧管，所述流体出口歧管被构造成将所述第一电解质溶液从所述第一双极板收回，并将所述第二电解质溶液从所述第二双极板收回；
其中，所述流体入口歧管和所述流体出口歧管被构造成向所述复合材料内的交替流动通道提供和从所述复合材料内的交替流动通道收回所述第一电解质溶液和所述第二电解质溶液。
12.根据权利要求11所述的电化学电池单体，其中，所述流体入口歧管和所述流体出口歧管被构造成在所述第一双极板和所述第二双极板的相反的横向面上提供和收回所述第一电解质溶液和所述第二电解质溶液。
13.根据权利要求11所述的电化学电池单体，还包括：
被构造成将所述第一双极板保持在所述第一半电池单体中并在所述第一半电池单体中提供流体密封的一个或多个框架层、以及被构造成将所述第二双极板保持在所述第二半电池单体中并在所述第二半电池单体中提供流体密封的一个或多个框架层；
其中，所述第一半电池单体中的所述框架层中的至少一个被构造成将所述第一电解质溶液提供到所述第一双极板，并且所述第二半电池单体中的所述框架层中的至少一个被构造成将所述第二电解质溶液提供到所述第二双极板。
14.根据权利要求1所述的电化学电池单体，还包括：
被构造成将所述第一双极板保持在所述第一半电池单体中并在所述第一半电池单体中提供流体密封的一个或多个框架层、以及被构造成将所述第二双极板保持在所述第二半电池单体中并在所述第二半电池单体中提供流体密封的一个或多个框架层。
15.一种电化学电池堆，包括：
彼此邻接在一起的多个根据权利要求1所述的电化学电池单体。
16.根据权利要求15所述的电化学电池堆，还包括：
布置在相邻的电化学电池单体之间的附加导电层。
17.根据权利要求15所述的电化学电池堆，其中，所述电化学电池堆存在于液流电池中。
18.根据权利要求15所述的电化学电池堆，还包括：
流体入口歧管，所述流体入口歧管被构造成将第一电解质溶液提供到所述第一双极板并将第二电解质溶液提供到所述第二双极板；和
流体出口歧管，所述流体出口歧管被构造成将所述第一电解质溶液从所述第一双极板收回并将所述第二电解质溶液从所述第二双极板收回；
其中，所述流体入口歧管和所述流体出口歧管被构造成向所述复合材料内的交替流动通道提供和从所述复合材料内的交替流动通道收回所述第一电解质溶液和所述第二电解质溶液。
19.一种方法，包括：
将阻挡材料浸注到导电材料的一部分中以形成复合材料；以及
制造电化学电池单体，所述电化学电池单体包括在第一半电池单体中的第一双极板和在第二半电池单体中的第二双极板，所述第一半电池单体和所述第二半电池单体由离子传导性隔板分隔开；
其中，所述第一双极板和所述第二双极板中的至少一个包括所述复合材料；并且
其中，所述阻挡材料限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开并且相对于所述离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料；
其中，所述多个流动通道在所述复合材料中彼此流体连通。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述电化学电池单体由连续生产线中的卷状源材料制造。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述复合材料和所述复合材料中的所述多个流动通道也是在制造所述电化学电池单体之前在所述连续生产线中形成的。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，浸注所述阻挡材料包括将热塑性聚合物热浸注到所述导电材料中。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：
使多个所述电化学电池单体彼此邻接在一起以形成电化学电池堆。
24.一种方法，包括：
将阻挡材料在导电材料上布置为一层以形成复合材料；
将所述阻挡材料的一部分从所述层去除以限定多个流动通道，所述多个流动通道彼此间隔开；以及
制造电化学电池单体，所述电化学电池单体包括在第一半电池单体中的第一双极板和在第二半电池单体中的第二双极板，所述第一半电池单体和所述第二半电池单体由离子传导性隔板分隔开；
其中，所述第一双极板和所述第二双极板中的至少一个包括所述复合材料；并且
其中，所述多个流动通道相对于所述离子传导性隔板横向延伸穿过所述复合材料；
其中，所述多个流动通道在所述复合材料中彼此流体连通。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述电化学电池单体由连续生产线中的卷状源材料制造。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述复合材料和所述复合材料中的所述多个流动通道也是在制造所述电化学电池单体之前在所述连续生产线中形成的。
27.根据权利要求24所述的方法，还包括：
通过热浸注将所述阻挡材料至少部分地浸注到所述导电材料中；
其中，所述阻挡材料包括热塑性聚合物。
28.根据权利要求24所述的方法，还包括：
使多个所述电化学电池单体彼此邻接在一起以形成电化学电池堆。
29.根据权利要求24所述的方法，其中，去除所述阻挡材料的一部分包括对所述阻挡材料的激光剥蚀。
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