TW202312547A - 用於鐵陽極電化學系統的電解質配方及添加物 - Google Patents

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麥可 安卓 吉柏森
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蕾貝卡 瑪麗 伊斯尼琪
約瑟琳 瑪瑞亞 紐豪斯
尼可拉斯 路德 柏金斯
奧莉維亞 克萊爾 泰勒
克耶爾 威廉 施羅德
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Abstract

各個態樣之系統、方法及裝置包含使用錫及/或銻作為具有一鐵基陽極之一電化學系統(諸如一電池)中之一電解質及/或電極之一添加物。在一些態樣中，錫及/或銻之該添加可改良該鐵基陽極之循環。各個態樣之系統、方法及裝置包含在一電化學系統(諸如一電池)中使用高氫氧化物濃度電解質。在一些態樣中，一高氫氧化物濃度電解質可增加儲存於該電池中之該經儲存電荷量(即該電池材料之容量)及/或降低該電池之過電位(即增加該電壓)。

Description

用於鐵陽極電化學系統的電解質配方及添加物
本申請案係關於電化學裝置及系統，以及操作其等之方法，且更特定言之用於鐵陽極電化學裝置及系統之電解質配方及添加物，以及操作其等之方法。
能量儲存技術在電網中扮演一越來越重要之角色；在一最基本層面上，此等能量儲存資產提供平滑以更佳匹配一電網之發電及需求。由能量儲存裝置執行之服務有利於跨多個時間尺度(自毫秒至幾年)之電網。今天，存在可支援自毫秒至數小時之時間尺度之能量儲存技術，但需要長期及超長持續時間(統稱為＞8 h)之能量儲存系統。
鐵基負電極電化學系統(或另一方式鐵基陽極電化學系統)係用於電化學能量儲存之有吸引力選擇。然而，在鐵基負電極中可能難以達成高效能，尤其係在較低放電速率下，諸如與大於約8小時(諸如8小時、超過8小時、8小時至16小時、16小時、超過16小時、16小時至24小時、24小時、超過24小時、24小時至30小時、30小時、超過30小時等等)之完全放電時間相關聯之放電速率。直接還原鐵(「DRI」)係一種歸因於DRI之成本，一鐵基負電極之理想候選者，但儘管DRI之材料性質有希望，但由DRI製造之電極在實現效能提升方面可能會面臨挑戰。
歸因於鐵及鹼性電解質組分之低權利成本，基於鐵之鹼性電化學系統係用於電網規模之長期能量儲存之有吸引力選擇。然而，鐵基材料在鹼性電解質中存在若干缺點，尤其係與析氫反應及自放電之競爭。進一步言之，電網規模能量儲存需要使用成本較低之原材料，且因此與傳統鐵電極材料相比具較低純度。因此，難以循環鐵電極材料，且尤其係一金屬鐵-氫氧化鐵反應(步驟1反應)。在大多數鐵電極系統中，此步驟1反應對於實現電池之高往返效率可至關重要。
因此，需要改良具有鐵基材料(諸如鐵基負電極)之電化學系統之設計及組成以增強此等系統之效能。
此先前技術章節旨在介紹本技術之各個態樣，該等態樣可與本發明之實施例相關聯。因此，本章節中之前述討論為更佳理解本發明提供一框架，且不應被視為對先前技術之一承認。
各個態樣之系統、方法及裝置包含使用錫及/或銻作為具有一鐵基陽極之一電化學系統(諸如一電池)中之一電解質及/或電極之一添加物。在一些態樣中，錫及/或銻之該添加可改良該鐵基陽極之循環。
實施例可包含一種電池，其包括：一第一電極，其包括直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉；一電解質；及一第二電極，其中該第一電極或該電解質包含一添加物，該添加物含有具有一低析氫反應(HER)活性及/或改良該第一電極之充電(還原)之一元素。在一些實施例中，該元素包括錫及/或銻。
各個態樣之系統、方法及裝置包含在一電化學系統(諸如一電池)中使用高氫氧化物濃度電解質。在一些態樣中，一高氫氧化物濃度電解質可增加儲存於該電池中之該經儲存電荷量(即該電池材料之容量)及/或降低該電池之過電位(即增加該電壓)。
實施例可包含一種電池，其包括：一第一電極，其包括直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉；一電解質，其包括氫氧化物；及一第二電極，其中該電解質進一步包括一添加物，該添加物包括錫、鉛或銻之至少一者。在一些實施例中，該電解質中之一總氫氧化物濃度可為約6 M或更大。
各種實施例可包含用作與金屬HER抑制劑之一共添加物之烷基聚葡糖苷。各種實施例可包含將錫併入至一集電器中。各種實施例可包含將錫併入至海綿鐵中。各種實施例可包含氫氧化催化劑及/或氫吸氣劑作為一電化學電池之一陽極之添加物。各種實施例可包含用作一電解質添加物及/或一陰離子選擇性膜之木質素磺酸鹽。
本申請案主張2021年4月29日申請之題為「用於鐵陽極電化學系統的電解質配方及添加物(ELECTROLYTE FORMULATIONS AND ADDITIVES FOR IRON ANODE ELECTROCHEMICAL SYSTEMS)」之美國臨時專利申請案第63/181,757號之優先權權利，其全部內容以引用的方式併入本文中用於所有目的。
將參考附圖詳細描述各種實施例。在可行情況下，將貫穿附圖使用相同元件符號來指代相同或相似部分。對特定實例及實施方案之引用係出於繪示性目的並不旨在限制申請專利範圍之範疇。以下對本發明之實施例之描述並不旨在將本發明限制於此等實施例，而係為了使熟習此項技術者能夠進行及使用本發明。除非另有說明，否則附圖未按比例繪製。
如本文中所使用，除非另有說明，否則室溫為25°C。且，標準溫度及壓力為25°C及1個大氣壓。除非另有明確說明，否則與溫度、壓力或兩者相關之所有測試、測試結果、實體性質及值在標準環境溫度及壓力下提供。
通常，除非另有說明，否則本文中所使用之術語「約」及符號「~」意在涵蓋±10%之一方差或範圍、與獲得所述值相關聯之實驗或儀器誤差且較佳此等之較大者。
如本文中所使用，除非另有說明，否則本文中數值之範圍之敘述僅旨在用作個別引用落入該範圍內之各單獨值之一速記方法。除非在本文中另有說明，否則在一範圍內之各個別值併入至說明書中，如同在本文中個別引用一般。
如本文中所使用，除非另有說明，否則術語%、重量% (縮寫為wt%)及質量%可互換使用且係指一第一組分之重量佔總重量之一百分比，例如製劑、混合物、顆粒、丸粒、團粒、材料、結構或產品。如本文中所使用，除非另有說明，否則「體積%」及「體積%」及類似此等術語係指一第一組分之體積佔總體積之一百分比，例如製劑、混合物、顆粒、丸粒、團粒、材料、結構或產品。
如本文中所使用，除非另有說明，否則術語「莫耳」，縮寫為「M」用於係指莫耳濃度，亦稱為莫耳濃度，界定為一物質在一溶液中之每升之莫耳數(mol/L)。作為一實例，一溶液中以1 mol/L之一濃度之一物質在本文中稱為1 M或1 M之一濃度。類似地，本文中使用一毫莫耳(mM)意謂每升千分之一莫耳。
應注意，無需提供或解決作為本發明之實施例之標的物或與本發明之實施例相關聯之新穎及開創性過程、材料、效能或其他有益特徵及性質之理論基礎。然而，本說明書中提供各種理論以進一步推進此區域之技術。本說明書中提出之理論，且除非另有明確說明，否則絕不限制、限制或縮小所主張發明之保護範疇。利用本發明可無需或實踐此等理論。進一步應理解，本發明可導致新及迄今為止未知之理論來解釋本發明之方法、物品、材料、裝置及系統之實施例之功能特徵；且此等後來開發理論不應限制本發明之保護範疇。
本說明書中闡述之系統、設備、技術、方法、活動及操作之各種實施例可用於各種其他活動及除本文中所闡述之彼等之外之其他領域。另外，此等實施例(例如)可用於：未來可開發之其他設備或活動；且，對於現有設備或活動，其等可部分基於本說明書之教示進行修改。進一步言之，本說明書中闡述之各種實施例及實例可全部或部分彼此使用，且可以不同及各種組合使用。因此，本說明書之各種實施例中提供之組態可彼此使用。例如，具有A、A'及B之一實施例之組件及具有A''、C及D之一實施例之組件可以各種組合(例如A、C、D及A.A''C及D等等)根據本說明書之教示彼此使用。因此，本發明之保護範疇不應限於在一特定實施例、實例或一特定附圖中之一實施例中闡述之一特定實施例、組態或配置。
如本文中所使用，除非另有說明，否則術語比重(其亦稱為表觀密度)應給予其最廣泛可行含義，且通常意謂一結構之每單位體積之重量，例如材料之體積形狀。此屬性將包含一顆粒之內部孔隙率作為其體積之部分。其可用潤濕顆粒表面之一低黏度流體以及其他技術來量測。
如本文中所使用，除非另有說明，否則術語實際密度(其亦可稱為真密度)應給予其最廣泛可行含義，且當一材料中不存在空隙時該材料之每單位體積之一般平均重量。此量測及性質基本上消除材料之任何內部孔隙率，例如，其不包含材料中之任何空隙。
因此，可使用一組多孔泡沫球(例如Nerf®球)以繪示三種密度性質之間的關係。填充一容器之球之重量將為球之體積密度：
Figure 02_image001
每個球之球形體積之一單一球之重量將為其表觀密度：
Figure 02_image002
構成球骨架之材料之重量(即移除所有空隙體積之球)每該材料之剩餘體積將為骨架密度：
Figure 02_image003
如本文中所使用，除非另有說明，否則術語團粒及粒料應給予其最廣泛可行含義，且通常意謂一粉末中顆粒之集合。
提供以下實例以繪示本發明之系統及方法之各種實施例。此等實施例用於繪示性目的，可為預見性的，且不應被視為限制性，且不依其他方式限制本發明之範疇。
討論關於使用直接還原鐵(DRI)作為一電池(或電池)中之一材料、作為一電池(或電池)之一組件及此等之組合及變體之各種實施例。在各種實施例中，DRI可由或可為自天然或加工鐵礦石之還原獲得之材料，而不達到鐵之熔融溫度。在各種實施例中，鐵礦石可為鐵燧石或磁鐵礦或赤鐵礦或針鐵礦等等。在各種實施例中，DRI可為丸粒形式，其可為球形或實質上球形。在各種實施例中，DRI可為多孔，含有開放及/或封閉內部孔隙。在各種實施例中，DRI可包括已藉由熱壓塊或冷壓塊進一步加工之材料。在各種實施例中，可藉由還原鐵礦石丸粒以形成一更具金屬性(更具還原性、更低氧化)之材料來產生DRI，諸如鐵金屬(Fe 0)、方鐵礦(FeO)或包括鐵金屬及殘留氧化物相之一複合丸粒。在各種非限制性實施例中，DRI可為還原鐵礦石鐵燧石、直接還原(「DR」)鐵燧石、還原「高爐(BF)級」丸粒、還原「電弧爐(EAF)級」丸粒、「冷直接還原鐵(CDRI)」丸粒、直接還原鐵(「DRI」)丸粒、熱壓塊鐵(HBI)或其任何組合。在鋼鐵製造行業中，DRI有時指稱「海綿鐵」；此用法在印度尤為普遍。
包含(例如)用於本文中所描述之各種實施例中之DRI材料之實施例之鐵材料之實施例(包含作為電極材料)可具有如下文表1中描述之材料性質之一者、一者以上或所有。除非另有明確說明，否則如本說明書(包含表1)中所使用，以下術語具有以下含義：「比表面積」意謂每單位質量之一材料之總表面積，其包含一多孔結構中之孔之表面積；「碳含量」或「碳(wt%)」意謂總碳之質量佔DRI總質量之百分比；「滲碳體含量」或「滲碳體(wt%)」意謂Fe 3C之質量佔DRI總質量之百分比；「總鐵(wt%)」意謂總鐵之質量佔DRI總質量之百分比；「金屬鐵(wt%)」意謂Fe 0態鐵之質量佔DRI總質量之百分比；且「金屬化」意謂Fe 0態鐵之質量佔總鐵質量之百分比。除非另有說明，否則本文中所使用之重量及體積百分比及表觀密度應理解為排除具有滲透孔隙之任何電解質或孔隙內之散逸添加物。 表1
材料性質 實施例範圍
比表面積* 0.01 m 2/g至25 m 2/g
實際密度** 4.6 g/cc至 7.1 g/cc
表觀密度*** 2.3 g/cc至 6.5 g/cc
最小 d pore, 90% 體積**** 10 nm 至 50 μm
最小 d pore , 50% 表面積***** 1 nm至15 μm
總Fe (wt%) # 65%至100%
金屬Fe (wt%) ## 46%至100%
金屬化(%) ### 59%至100%
碳(wt%) #### 0%至5%
Fe 2+(wt%) ##### 1%至9%
Fe 3+(wt%) $ 0%至25%
SiO 2(wt %) $$ 0%至15%
鐵氧體(wt%, XRD) $$$ 22%至97%
方鐵礦(FeO, wt%, XRD) $$$$ 0%至13%
針鐵礦(FeOOH, wt%, XRD) $$$$$ 0%至23%
滲碳體(Fe 3C, wt%, XRD) + ≪80%
*比表面積較佳藉由Brunauer-Emmett-Teller吸附法(「BET」)判定，且更較佳地如在ISO 9277中闡述BET(其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)；認識到其他測試(諸如亞甲藍(MB)染色、乙二醇單乙醚(EGME)吸附、絡合物離子吸附之電動分析及一蛋白質保留(PR)方法)可用於提供可與BET結果相關之結果。
**實際密度較佳藉由氦(He)測比重法判定，且更較佳如ISO 12154 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。實際密度在本技術中亦可稱為「真實密度」或「骨架密度」。
***表觀密度較佳藉由浸入水中判定，且更較佳如ISO 15968 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可He氦測比重法結果相關之結果。孔隙率可界定為表觀密度與實際密度之比率：
Figure 02_image004
**** d pore ， 90% 體積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 90% 體積係在其以上存在90%總孔體積之孔徑。
***** d pore ， 50% 表面積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 50% 表面積係在其以上存在50%自由表面積之孔徑。
#總Fe (wt%)較佳藉由重鉻酸鹽滴定法判定，且更較佳如ASTM E246-10 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氯化錫(II)還原後之滴定法、氯化鈦(III)還原後之滴定法、電感耦合電漿(ICP)光譜法)可用於提供可與重鉻酸鹽滴定法相關之結果。
##金屬Fe (wt%)較佳藉由氯化鐵(III)滴定法判定，且更較佳如ISO 16878 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如溴-甲醇滴定法)可用於提供可與氯化鐵(III)滴定法相關之結果。
###金屬化(%)較佳藉由金屬Fe與總Fe之比率判定，各者較佳藉由先前所描述之方法判定。
####碳(wt%)較佳藉由一感應爐中燃燒之後之紅外吸收判定，且更較佳如ISO 9556 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如各種燃燒及惰性氣體融合技術，諸如在ASTM E1019-18中所描述之技術)可用於提供可與一感應爐中燃燒之後之紅外吸收相關之結果。
#####Fe 2+(wt%)較佳藉由滴定法判定，且更較佳如ASTM D3872-05 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如穆斯堡爾光譜法、X射線吸收光譜法等等)可用於提供可與滴定法相關之結果。
$Fe 3+(wt%)較佳藉由總Fe (wt%)、金屬Fe (wt%)、Fe 2+(wt%)及Fe 3+(wt%)之間的質量平衡關係判定。具體而言，等式總Fe (wt%)=金屬Fe (wt%)+Fe 2+(wt%)+Fe 3+(wt%)必須藉由質量守恆成立，因此Fe 3+(wt%)可計算為Fe 3+(wt%)=總Fe (wt%)-金屬Fe (wt%)-Fe 2+(wt%)。
$$SiO 2(wt%)較佳藉由重量分析法判定，且更較佳如ISO 2598-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如還原鉬矽酸鹽分光光度法、x射線繞射(XRD))可用於提供可與重量分析法相關之結果。在特定方法中，SiO 2wt%並非直接判定，而係量測Si濃度(包含中性及離子物質)，並假設SiO 2之化學計量來計算SiO 2wt%；即，假設Si:O之一1:2莫耳比。
$$$鐵氧體(wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$方鐵礦(FeO，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$$針鐵礦(FeOOH，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
+滲碳體(Fe 3C，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
另外，用於本文中所描述之各種實施例(包含作為電極材料)之鐵材料之實施例，包含(例如) DRI材料之實施例，可具有以下性質、特徵或特性之一或多者，(注意，來自一列或一行之值可存在不同列或行中之值)，如表1A中所闡述。 表1A
Fe總量(wt %) ! ＞ 60% ＞ 70% ＞ 80% ~83%至94%
SiO 2(wt %) !! ＜ 12% ＜ 7.5% 1至10% 1.5%至7.5%
Al 2O 3(wt %) !!! ＜ 10% ＜ 5% 0.2%至5% 0.3%至3%
MgO (wt %) !!!! ＜ 10% ＜ 5% 0.1%至10% 0.25%至2%
CaO (wt %) !!!!! ＜ 10% ＜ 5% 0.9%至10% 0.75%至2.5%
TiO 2(wt %) & ＜ 10% ＜2.5% 0.05%至5% 0.25%至1.5%
大小(最大橫截面距離，例如直徑為一球體) ＜ 200  mm ~ 50 mm至~ 150 mm ~2 mm至~30 mm    ~4 mm至~20 mm   
實際密度(g/cm 3) && ~ 5 ~5.8至~6.2 ~4.0 to ~6.5 ＜ 7.8
表觀密度(g/cm 3) &&& ＜ 7.8 ＞ 5 ＞ 4 3.4至3.6
堆積密度(kg/m 3) &&&& ＜ 7 ＞ 1.5 ~2.4至~3.4 ~1.5至~2.0
孔隙率(%) &&&&& ＞15% ＞50% ~ 20%至~90% ~50%至~70%
!總Fe (wt%)較佳藉由重鉻酸鹽滴定法判定，且更較佳如ASTM E246-10 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氯化錫(II)還原後之滴定法、氯化鈦(III)還原後之滴定法、電感耦合電漿(ICP)光譜法)可用於提供可與重鉻酸鹽滴定法相關之結果。
!!SiO 2(wt%)較佳藉由重量分析法判定，且更較佳如ISO 2598-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如還原鉬矽酸鹽分光光度法、x射線繞射(XRD))可用於提供可與重量分析法相關之結果。在特定方法中，SiO 2wt%並非直接判定，而係量測Si濃度(包含中性及離子物質)，並假設SiO 2之化學計量來計算SiO 2wt%；即，假設Si:O之一1:2莫耳比。
!!!Al 2O 3(wt%)較佳藉由火焰原子吸收光譜法判定，且更較佳如ISO 4688-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如x射線繞射(XRD))可用於提供可與火焰原子吸收光譜法相關之結果。在特定方法中，Al 2O 3wt%並非直接判定，而係量測Al濃度(包含中性及離子物質)，並假設Al 2O 3之化學計量來計算Al 2O 3wt%；即，假設Al:O之一2:3莫耳比。
!!!!MgO (wt%)較佳藉由火焰原子吸收光譜法判定，且更較佳如ISO 10204 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所描述；認識到其他測試(諸如x射線繞射(XRD))可用於提供可與火焰原子吸收光譜法相關之結果。在特定方法中，MgO wt%並非直接判定，而係量測Mg濃度(包含中性及離子物質)，並假設MgO之化學計量來計算MgO wt%；即，假設Mg:O之一1:1莫耳比。
!!!!!CaO (wt%)較佳藉由火焰原子吸收光譜法判定，且更較佳如ISO 10203 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如x射線繞射(XRD))可用於提供可與火焰原子吸收光譜法相關之結果。在特定方法中，CaO wt%並非直接判定，而係量測Ca濃度(包含中性及離子物質)，並假設CaO之化學計量來計算CaO wt%；即，假設Ca:O之一1:1莫耳比。
& TiO 2(wt%)較佳藉由一二安替吡喃甲烷分光光度法判定，且更較佳如ISO 4691 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如x射線繞射(XRD))可用於提供可與二安替吡喃甲烷分光光度法相關之結果。在特定方法中，TiO 2wt%並非直接判定，而係量測Ti濃度(包含中性及離子物質)，並假設TiO 2之化學計量來計算TiO 2wt%；即，假設Ti:O之一1:2莫耳比。
&&實際密度較佳藉由氦(He)測比重法判定，且更較佳如ISO 12154 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。實際密度在本技術中亦可稱為「真實密度」或「骨架密度」。
&&&表觀密度較佳藉由浸入水中判定，且更較佳如ISO 15968 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。
&&&&體積密度(kg/m 3)較佳藉由量測引入至已知體積之一容器中直至其表面水平之一測試部分之質量來判定，且更較佳如ISO 3852之方法2 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與質量方法相關之結果。
&&&&&孔隙率較佳藉由表觀密度與實際密度之比率判定：
Figure 02_image005
表1中所闡述之性質亦可存在於具有、補充或代替表1A中之性質之實施例中。此等性質之更大及更小值亦可存在於各種實施例中。
在實施例中，丸粒之比表面積可自約0.05 m 2/g至約35 m 2/g、自約0.1 m 2/g至約5 m 2/g、自約0.5 m 2/g至約10 m 2/g、自約0.2 m 2/g至約5 m 2/g、自約1 m 2/g至約5 m 2/g、自約1 m 2/g至約20 m 2/g、大於約1 m 2/g、大於約2 m 2/g、小於約5 m 2/g、小於約15 m 2/g、小於約20 m 2/g及此等之組合及變化，以及更大及更小值。
一般而言，鐵礦石丸粒藉由將鐵礦石粉碎、研磨或磨碎成一細粉狀，其接著藉由移除藉由研磨操作釋放之雜質相(所謂「脈石」)來濃縮而產生。一般而言，隨著礦石經研磨成更細(更小)粒徑，所得精礦之純度提高。接著將濃縮物藉由一造粒或成球過程(使用(例如)一轉鼓或圓盤造粒機)形成一丸粒。一般而言，需要更大能量輸入來產生更高純度之礦石丸粒。鐵礦石丸粒通常在兩個主要類別下營銷或銷售：高爐(BF)級丸粒及直接還原(DR級)(有時亦稱為電弧爐(EAF)級)，主要區別在於SiO 2之含量及BF級丸粒中之其他雜質相相對於DR級丸粒更高。一DR級丸粒或原料之典型關鍵規格係按質量百分比計之一總Fe含量在63 wt%至69 wt%之範圍內(諸如67 wt%)，及按質量百分比計小於3 wt% (諸如1 wt%)之SiO 2含量。一BF級丸粒或原料之典型關鍵規格係按質量百分比計之一總Fe含量在60 wt%至67 wt%之範圍內(諸如63 wt%)及按質量百分比計之一SiO 2含量在2 wt%至8 wt%之範圍內(諸如4 wt%)。
在特定實施例中，可藉由還原一「高爐」丸粒來產生DRI，在該情況下，所得DRI可具有如下文表2中所描述之材料性質。歸因於產生丸粒所需之較少輸入能量，因此使用降低BF級DRI可為有利的，其轉化為成品材料之一較低成本。 表2
材料性質 實施例範圍
比表面積* 0.21 m 2/g至25 m 2/g
實際密度** 5.5 g/cc至6.7 g/cc
表觀密度*** 3.1 g/cc至4.8 g/cc
最小 d pore, 90% 體積**** 50 nm至50 μm
最小 d pore , 50% 表面積***** 1 nm至10 μm
總Fe (wt%) # 81.8%至89.2%
金屬Fe (wt%) ## 68.7%至83.2%
金屬化(%) ### 84%至95%
碳(wt%) #### 0.03%至0.35%
Fe 2+(wt%) ##### 2%至8.7%
Fe 3+(wt%) $ 0.9%至5.2%
SiO 2(wt %) $$ 3%至7%
鐵氧體(wt%, XRD) $$$ 80%至96%
方鐵礦(FeO, wt%, XRD) $$$$ 2%至13%
針鐵礦(FeOOH, wt%, XRD) $$$$$ 0%至11%
滲碳體(Fe 3C, wt%, XRD) + 0%至80%
*比表面積較佳藉由Brunauer-Emmett-Teller吸附法(「BET」)判定，且更較佳如ISO 9277 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述之BET；認識到其他測試(諸如亞甲藍(MB)染色、乙二醇單乙醚(EGME)吸附、絡合物離子吸附之電動分析及一蛋白質保留(PR)方法)可用於提供可與BET結果相關之結果。
**實際密度較佳藉由氦(He)測比重法判定，且更較佳如ISO 12154 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。實際密度在本技術中亦可稱為「真實密度」或「骨架密度」。
***表觀密度較佳藉由浸入水中判定，且更較佳如ISO 15968 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。孔隙率可界定為表觀密度與實際密度之比率：
Figure 02_image005
**** d pore ， 90% 體積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 90% 體積係在其以上存在90%總孔體積之孔徑。
***** d pore ， 50% 表面積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 50% 表面積係在其以上存在50%自由表面積之孔徑。
#總Fe (wt%)較佳藉由重鉻酸鹽滴定法判定，且更較佳如ASTM E246-10 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氯化錫(II)還原後之滴定法、氯化鈦(III)還原後之滴定法、電感耦合電漿(ICP)光譜法)可用於提供可與重鉻酸鹽滴定法相關之結果。
##金屬Fe (wt%)較佳藉由氯化鐵(III)滴定法判定，且更較佳如ISO 16878 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如溴-甲醇滴定法)可用於提供可與氯化鐵(III)滴定法相關之結果。
###金屬化(%)較佳藉由金屬Fe與總Fe之比率判定，各者較佳藉由先前所描述之方法判定。
####碳(wt%)較佳藉由一感應爐中燃燒之後之紅外吸收判定，且更較佳如ISO 9556 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如各種燃燒及惰性氣體融合技術，諸如在ASTM E1019-18中所描述之技術)可用於提供可與一感應爐中燃燒之後之紅外吸收相關之結果。
#####Fe 2+(wt%)較佳藉由滴定法判定，且更較佳如ASTM D3872-05 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如穆斯堡爾光譜法、x射線吸收光譜法等等)可用於提供可與滴定法相關之結果。
$Fe 3+(wt%)較佳藉由總Fe (wt%)、金屬Fe (wt%)、Fe 2+(wt%)及Fe 3+(wt%)之間的質量平衡關係判定。具體而言，等式總Fe (wt%)=金屬Fe (wt%)+Fe 2+(wt%)+Fe 3+(wt%)必須藉由質量守恆成立，因此Fe 3+(wt%)可計算為Fe 3+(wt%)=總Fe (wt%)-金屬Fe (wt%)-Fe 2+(wt%)。
$$SiO 2(wt%)較佳藉由重量分析法判定，且更較佳如ISO 2598-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如還原鉬矽酸鹽分光光度法、x射線繞射(XRD))可用於提供可與重量分析法相關之結果。在特定方法中，SiO 2wt%並非直接判定，而係量測Si濃度(包含中性及離子物質)，並假設SiO 2之化學計量來計算SiO 2wt%；即，假設Si:O之一1:2莫耳比。
$$$鐵氧體(wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$方鐵礦(FeO，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$$針鐵礦(FeOOH，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
+滲碳體(Fe 3C，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
表2中所闡述之性質亦可存在於具有、補充或代替表1及/或表1A中之性質之實施例中。此等性質之更大及更小值亦可存在於各種實施例中。
在特定實施例中，DRI可藉由還原一DR級丸粒來產生，在該情況下，所得DRI可具有如下文表3中所描述之材料性質。歸因於丸粒中增加電池之能量密度之較高Fe含量，因此使用降低DR級DRI可為有利的。 表3
材料性質 實施例範圍
比表面積* 接收時為0.1 m 2/g至0.7 m 2/g或在執行一預充電形成步驟之後為0.19 m 2/g至25 m 2/g
實際密度** 4.6 g/cc至7.1 g/cc
表觀密度*** 2.3 g/cc至5.7 g/cc
最小 d pore, 90% 體積**** 50 nm至50 μm
最小 d pore , 50% 表面積***** 1 nm至10 μm
總Fe (wt%) # 80%至94%
金屬Fe (wt%) ## 64%至94%
金屬化 (%) ### 80%至100%
碳(wt%) #### 0%至5%
Fe 2+(wt%) ##### 0%至8%
Fe 3+(wt%) $ 0%至0%
SiO 2(wt %) $$ 1%至4%
鐵氧體(wt%, XRD) $$$ 22%至80%
方鐵礦(FeO, wt%, XRD) $$$$ 0%至13%
針鐵礦(FeOOH, wt%, XRD) $$$$$ 0%至23%
滲碳體(Fe 3C, wt%, XRD) + ≪80%
*比表面積較佳藉由Brunauer-Emmett-Teller吸附法(「BET」)判定，且更較佳如ISO 9277 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述之BET；認識到其他測試(諸如亞甲藍(MB)染色、乙二醇單乙醚(EGME)吸附、絡合物離子吸附之電動分析及一蛋白質保留(PR)方法)可用於提供可與BET結果相關之結果。
**實際密度較佳藉由氦(He)測比重法判定，且更較佳如ISO 12154 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。實際密度在本技術中亦可稱為「真實密度」或「骨架密度」。
***表觀密度較佳藉由浸入水中判定，且更較佳如ISO 15968 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試可用於提供可與He測比重法結果相關之結果。孔隙率可界定為表觀密度與實際密度之比率：
Figure 02_image005
**** d pore ， 90% 體積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 90% 體積係在其以上存在90%總孔體積之孔徑。
***** d pore ， 50% 表面積較佳藉由汞(Hg)壓入孔隙率測定法判定，且更較佳如ISO 15901-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氣體吸附)可用於提供可與Hg壓入結果相關之結果。 d pore ， 50% 表面積係在其以上存在50%自由表面積之孔徑。
#總Fe (wt%)較佳藉由重鉻酸鹽滴定法判定，且更較佳如ASTM E246-10 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如氯化錫(II)還原後之滴定法、氯化鈦(III)還原後之滴定法、電感耦合電漿(ICP)光譜法)可用於提供可與重鉻酸鹽滴定法相關之結果。
##金屬Fe (wt%)較佳藉由氯化鐵(III)滴定法判定，且更較佳如ISO 16878 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如溴-甲醇滴定法)可用於提供可與氯化鐵(III)滴定法相關之結果。
###金屬化(%)較佳藉由金屬Fe與總Fe之比率判定，各者較佳藉由先前所描述之方法判定。
####碳(wt%)較佳藉由一感應爐中燃燒之後之紅外吸收判定，且更較佳如ISO 9556 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如各種燃燒及惰性氣體融合技術，諸如在ASTM E1019-18中所描述之技術)可用於提供可與一感應爐中燃燒之後之紅外吸收相關之結果。
#####Fe 2+(wt%)較佳藉由滴定法判定，且更較佳如ASTM D3872-05 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如穆斯堡爾光譜法、X射線吸收光譜法等等)可用於提供可與滴定法相關之結果。
$Fe 3+(wt%)較佳藉由總Fe (wt%)、金屬Fe (wt%)、Fe 2+(wt%)及Fe 3+(wt%)之間的質量平衡關係判定。具體而言，等式總Fe (wt%)=金屬Fe (wt%)+Fe 2+(wt%)+Fe 3+(wt%)必須藉由質量守恆成立，因此Fe 3+(wt%)可計算為Fe 3+(wt%)=總Fe (wt%)-金屬Fe (wt%)-Fe 2+(wt%)。
$$SiO 2(wt%)較佳藉由重量分析法判定，且更較佳如ISO 2598-1 (其全部揭示內容以引用的方式併入本文中)中所闡述；認識到其他測試(諸如還原鉬矽酸鹽分光光度法、x射線繞射(XRD))可用於提供可與重量分析法相關之結果。在特定方法中，SiO 2wt%並非直接判定，而係量測Si濃度(包含中性及離子物質)，並假設SiO 2之化學計量來計算SiO 2wt%；即，假設Si:O之一1:2莫耳比。
$$$鐵氧體(wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$方鐵礦(FeO，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
$$$$$針鐵礦(FeOOH，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
+滲碳體(Fe 3C，wt%，XRD)較佳藉由x射線繞射(XRD)判定。
表3中所闡述之性質亦可存在於具有、補充或代替表1、表1A及/或表2中之性質之實施例中。此等性質之更大及更小值亦可存在於各種實施例中。
一電化學電池(諸如一電池)藉由使用在正電極與負電極之間產生一電壓差之一電化學電位差來儲存電化學能量。若電極由一導電元件連接，則此電壓差產生一電流。在一電池中，負電極及正電極由外部及內部電阻元件串聯連接。一般而言，外部元件傳導電子，且內部元件(電解質)傳導離子。因為不能在負電極與正電極之間維持一電荷不平衡，所以此等兩個流必須以相同速率供應離子及電子。在操作中，電子電流可用於驅動一外部裝置。一可再充電電池可藉由施加一相反電壓差來再充電，該電壓差驅動一電流及離子電流以與使用中之一放電電池相反之方向流動。
本發明之實施例包含用於長期及超長期、低成本、能量儲存之設備、系統及方法。在本文中，「長持續時間」及/或「超長持續時間」可係指8小時或更長之能量儲存週期，諸如8小時之能量儲存週期、範圍自8小時至20小時之能量儲存週期、20小時之能量儲存週期、範圍自20小時至24小時之能量儲存週期、24小時之能量儲存週期、範圍自24小時至一週之能量儲存週期、範圍自一週至一年(例如，諸如自幾天至幾周至幾個月)等等之能量儲存週期。換言之，「長持續時間」及/或「超長持續時間」能量儲存電池可係指可經組態以隨時間跨度數天、數週或季節儲存能量之電化學電池。例如，電化學電池可經組態以在陽光充足且太陽能發電超過電網要求之夏季月份期間儲存由太陽能電池產生之能量，且在陽光可能不足以滿足電網要求之冬季月份期間釋放所儲存之能量。
一般而言，在一實施例中，長持續時間能量儲存電池可為一長持續時間電化學電池。一般而言，此長持續時間電化學電池可儲存自一發電系統產生之電力，當：(i)該發電之電源或燃料係可用、豐富、廉價及此等之組合及變化；(ii)當電網、客戶或其他使用者之電力需求或電力需求低於由發電系統產生之電量時，為向電網、客戶或其他使用者提供此電力所支付之價格低於產生此電之一經濟效率點(例如，發電成本超過電力之市場價格)及此等之組合及變化；及(iii)(i)及(ii)之組合及變化以及其他原因。儲存於長持續時間電化學電池中之此電力接著可在經濟或依其他方式需要時分配給電網、客戶或其他使用者。例如，電化學電池可經組態以在陽光充足且太陽能發電量超過電網要求之夏季月份期間儲存由太陽能電池產生之能量且在陽光可能不足以滿足電網要求之冬季月份期間釋放所儲存之能量。
根據其他實施例，本發明包含用於以小於約8小時之較短持續時間進行能量儲存之設備、系統及方法。例如，電化學電池可經組態以在晝間循環期間儲存由太陽能電池產生之能量，其中在一天中間之太陽能發電量可超過電網要求，且當陽光可能不足以滿足電網要求時在晚上釋放所儲存之能量。作為另一實例，本發明可包含當由電網供應之電力不足時用作備用電源之能量儲存，用於包含家庭、商業建築、工廠、醫院或資料中心之設施，其中所需放電持續時間可自幾分鐘至幾天。
在一些實施例中，一電化學電池包含一負電極、一正電極、一電解質及安置於正電極與負電極之間的一隔板(例如如圖1中展示)。圖1繪示一實例電化學電池100 (諸如一電池)，其包含與一正電極及電解質103由一隔板104間隔開之一負電極及電解質102。隔板104可由電池100之一聚丙烯網105及一聚乙烯框架108支撐。集電器107可與負電極102及正電極103之各自者相關聯並由聚乙烯背板106支撐。在一些實施例中，可控制電化學電池100之溫度，諸如藉由絕緣圍繞電池100及/或加熱器150。例如，加熱器150可提高電池100及/或電池之特定組件(諸如電解質102、103)之溫度。圖1中之電化學電池100之組態僅係根據各種實施例之一個電化學電池組態之一實例且不旨在限制。其他組態(諸如具有不同類型網及/或沒有聚丙烯網105之電化學電池、具有不同類型框架及/或沒有聚乙烯框架108之電化學電池、具有不同類型集電器及/或沒有集電器之電化學電池、具有不同類型背板及/或沒有聚乙烯背板106之電化學電池、具有不同類型絕緣及/或沒有絕緣之電化學電池及/或具有不同類型加熱器及/或沒有一加熱器150之電化學電池)可代替圖1中展示之電化學電池100之實例組態且其他組態根據各種實施例。
在一些實施例中，圖1中之複數個電化學電池100可串聯電連接以形成一堆疊。在特定其他實施例中，複數個電化學電池100可並聯電連接。在特定其他實施例中，電化學電池100以一混合串並聯電組態連接以達成輸送電流及電壓之一有利組合。
根據各種實施例，負電極由丸粒、壓塊、壓製或燒結之含鐵化合物構成。此等含鐵化合物可包括一或多種形式之鐵，範圍自高度還原(更多金屬)鐵至高度氧化(更多離子)鐵。在各種實施例中，丸粒可包含各種鐵化合物，諸如鐵氧化物、氫氧化物、硫化物、碳化物或其等之組合。在各種實施例中，該負電極可為具有各種形狀之燒結鐵團粒。在一些實施例中，霧化或海綿鐵粉可用作原料材料用於形成燒結鐵電極。在一些實施例中，生坯可進一步含有一黏合劑，諸如一聚合物或無機黏土狀材料。在各種實施例中，燒結鐵團聚丸粒可在一爐中形成，諸如一連續進料煅燒爐、分批進料煅燒爐、豎爐、旋轉煅燒爐、旋轉爐床等等。在各種實施例中，丸粒可包括還原及/或熟習此項技術者已知為直接還原鐵(DRI)之燒結含鐵前體，及/或其副產物材料。各種實施例可包含在將丸粒引入至電化學電池中之前使用電、電化學、機械、化學及/或熱過程來處理丸粒，包含DRI丸粒。
根據各種實施例，一電化學電池(諸如圖1之電池100)包含一負電極(亦指稱一陽極)、一正電極(亦指稱一陰極)及一電解質。負電極可為一鐵材料。電解質可為一水溶液。在特定實施例中，電解質可為一鹼性溶液(pH＞10)。在特定實施例中，電解質可為一近中性溶液(10＞pH＞4)。
在一個實例中，在鹼性電解質中放電及氧化時發生在負電極上之半電池反應係：步驟1) Fe+2OH -⇆Fe(OH) 2+2e -；及步驟2) 3Fe(OH) 2+2OH -⇆Fe 3O 4+4H 2O+2e -。在一步驟1中，可在形成負電極之鐵之表面上形成氫氧化鐵。在步驟2中，氫氧化鐵隨後經進一步氧化以形成磁鐵礦。放電之後具有一淨體積增加，其由負電極之孔隙率吸收。根據本實例中之負電極反應，基於金屬鐵之理論容量在步驟1中為960 mAh/gFe，在步驟2中為320 mAh/gFe。
鐵基電極(亦指稱Fe陽極)歸因於與析氫(H 2)(不導致電池再充電之一副反應)競爭而難以再充電，因為電子經轉移至H 2而非儲存於一更還原含鐵負電極中。另外，電子移動通過陽極之能力亦可阻礙充電及放電反應。當沒有或一有限路徑將電子移動通過陽極時，陽極之充電及放電效率可降低。可阻礙鐵基電極再充電之另一問題係孔隙堵塞。在一些情況下，增加鐵基陽極之表面積之方法亦導致陽極之孔隙堵塞。當陽極之孔堵塞時，離子不能進出陽極，且陽極不能再充電。再加上Fe陽極再充電困難，此堵塞導致特定放電容量之大量損失。
在各種實施例中，可將一或多種添加物(諸如鉛(Pb)、錫(Sn)、銻(Sb)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)等等)添加至一電化學電池。根據各種實施例添加一或多種添加物可改善鐵基負電極(Fe陽極)之充電。在各種實施例中，一或多種添加物可包含以其金屬形式具有一低析氫反應(HER)之元素。在各種實施例中，其中添加一或多種添加物之電化學電池可包含一電解質，該電解質包含一或多種氫氧化物。在各種實施例中，其中添加一或多種添加物之電化學電池可包含不包含氫氧化物之一電解質。
在各種實施例中，可將抑制析氫之添加物(諸如具有低析氫反應(HER)活性之金屬(諸如鉛(Pb)、錫(Sn)、銻(Sb)等等))添加至一電化學電池以藉此改良鐵基負電極(Fe陽極)之充電。在各種實施例中，可將抑制析氫之添加物(諸如具有低析氫反應(HER)活性之金屬(諸如鉛(Pb)、錫(Sn)、銻(Sb)等等))添加至電解質，及/或電化學電池之陽極。
一低析氫反應(HER)活性添加物可相對於鐵之HER活性來界定。在一第一實例中，具有低於鐵之一析氫反應(HER)交換電流密度之一析氫反應(HER)交換電流密度之一添加物可被認為係一低析氫反應(HER)活性添加物。在一第二實例中，包括一低HER活性之一電池較不包括低HER活性添加物之一電池在電池中具有一降低析氫速率(例如，如透過氫產生之原位感測量測)。在一第三實例中，包括一低HER活性添加物之一電池在一給定充電狀態下產生少於不包括低HER活性添加物之一可比電池的氫。在一組實例中，顯著較低HER活性可為HER活性降低一50%或更大。在另一組實例中，顯著較低氫產生可為HER活性降低一10%或更大。
一低HER活性添加物亦可由含鐵陽極電池之庫侖效率來界定。與僅含有鐵陽極材料之一電池相比，一低HER活性添加物將提高電池之庫侖效率。與僅含有陽極材料之一電池相比，一顯著更高庫侖效率可高出≥5%。在各種實施例中，可將一低HER活性添加物以一固體形式(例如金屬形式)及/或一液體形式添加至一電化學電池中。
在各種實施例中，可將改良鐵陽極中之導電網路之添加物(諸如高導電金屬(錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au))或其衍生物)添加至一電化學電池以藉此改良鐵基負電極(Fe陽極)之充電。在各種實施例中，可將改良鐵中之導電網路之添加物(諸如高導電金屬(錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au))或其衍生物)添加至電解質及/或電化學電池之陽極。一高導電金屬可為具有低於125奈米歐姆米(nΩ•m)之一電阻率之一金屬元素。
在各種實施例中，錫(Sn)及/或含錫化合物可包含(例如，添加、存在等等)於一電化學電池中(諸如在電解質中)，作為一電極之部分，作為電化學電池中之一儲存器等等。包含錫及/或含錫化合物可降低鐵陽極析氫之傾向，且藉此促進鐵電極更有效之再充電；即，在再充電之後，更多之步驟1反應容量可逆轉，在充電狀態下產生更多金屬鐵。在一隨後放電步驟中，此導致一更大步驟1反應容量。不受任何特定科學解釋或特定操作理論之約束，據信析氫過電位之增加可由於錫在鐵陽極上之沈積，導致在沒有存在錫之情況下與HER活性相比鐵陽極上之一HER活性降低。HER活性之降低亦可由於一合金化、一表面相之形成或錫與鐵陽極材料之絡合。不管作用機構如何，包括錫之電池之顯著益處係與不存在錫之充電效率相比，鐵陽極之充電效率之一增加。錫在一鹼性溶液(pH＞10)電解質中可高度溶解且電解質中包含錫及/或含錫化合物可導致電解質中之錫鍍上鐵陽極。例如，圖6係一K 2Sn(OH) 6-KOH-H 2O體系在25.0°C下之一相圖。圖6中之實心圓圈表示溶液組成且黑圈表示濕殘渣組成。如圖6中展示，25.0°C下6 M之KOH之最大溶解度為0.272 M K 2Sn(OH) 6，且10至13 M OH更接近6 mM K 2Sn(OH) 6。錫在鐵陽極上之沈積可增加步驟1反應容量，即Fe+2OH -⇆Fe(OH) 2+2e -，其可由於一新相FeSnO x之形成，其可允許更佳再充電鐵陽極。此在鐵陽極中包含錫亦可引入一二次高電位反應，即FeSn+n OH -⇆FeSnOx+m e-，歸因於一更有效或改變充電機製而提高總高電位放電容量。包含錫及/或含錫化合物可改良電化學電池中鐵陽極之循環。在各種實施例中，錫及/或含錫化合物可包含金屬錫、錫酸鹽及/或任何其他錫源。作為具體實例，金屬錫(Sn)、三水錫酸鈉(Na 2SnO 3•3H 2O)、三水錫酸鉀(K 2SnO 3•3H 2O)、氧化錫(SnO 2)、圓柱錫礦(Pb 3Sn 4FeSb 2S 14)、銅鐵錫硫化物(Cu 2FeSnS 4)、鉛錫合金(60/40 Sn/Pb焊料、63/37 Sn/Pb焊料、Terne I合金：10%至20% Sn、其餘為Pb)、鋅錫合金(Terne II合金：10%至20% Sn、其餘為Zn)或硫化錫(SnS或SnS 2)可包含於一電化學電池中，諸如電解質及/或電極中。在各種實施例中，錫源可為固體源或錫及/或錫之可溶源。圖2A至圖2C係錫之錫波貝克斯圖。
在各種實施例中，錫及/或含錫化合物可作為一電化學電池中電解質之部分包含。作為實例，錫及/或含錫化合物可依此量添加至電解質，使得所添加之錫及/或含錫化合物表示電解質中自約0.1 毫莫耳(mM)至約錫及/或含錫化合物之飽和極限。作為具體實例，錫及/或含錫化合物可以0.1 mM、0.1 mM至10 mM、0.1 mM至100 mM (或0.1M)、10 mM、10 mM至100 mM (或0.1 M)、10 mM至50 mM、50 mM、50 mM至100 mM (或0.1 M)、100 mM (或0.1 M)、100 mM (或0.1 M)至1M、1M、100 mM (或0.1 M)至750 mM (或0.75 M)、750 mM (或0.75 M)、100 mM (或0.1 M)至500 mM (或0.5 M)、500 mM (或.5 M)、100 mM (或0.1 M)至600 mM(或.6 M)、600 mM (或.6 M)、100 mM (或0.1 M)至670 mM (或.67 M)、670 mM (或.67 M))、500 mM (或0.5 M)至670 mM (或.67 M)、600 mM (或0.6 M)至670 mM (或.67 M)、650 mM (或0.65 M)至670 mM (或.67 M)、650 mM (或.65 M)、0.1 mM至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、10 mM至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、50 mM至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、100 mM (或0.1 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、500 mM (或0.5 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、600 mM (或0.6 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、650 mM (或0.65 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、650 mM (或0.65 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、670 mM (或0.67 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、750 mM (或0.75 M)至電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、低於電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限、處於電解質中錫及/或含錫化合物之飽和極限等等之一濃度存在於電解質中。作為進一步實例，錫及/或含錫化合物可以量添加至電解質，使得所添加之錫及/或含錫化合物表示電解質之約0.01 wt%至約20 wt%。作為具體實例，錫及/或含錫化合物可以0.01 wt%、0.01 wt%至0.1 wt%、0.1 wt%、0.01 wt%至5 wt%、0.1 wt%至5 wt%、0.1 wt%至20 wt%、5 wt%、5 wt%至20 wt%、20 wt%等等存在於電解質中。
在各種實施例中，錫及/或含錫化合物可作為一電化學電池中陽極之部分包含。例如，錫及/或含錫化合物可併入至陽極中，諸如與陽極之鐵源混合、沈積在陽極之表面上、併入至一陽極床中等等。作為實例，錫及/或含錫化合物可以量添加至陽極，使得所添加之錫及/或含錫化合物基於陽極之幹質量(沒有電解質包含於wt %數字中)表示陽極之約0.1 wt%至約20 wt%。作為具體實例，錫及/或含錫化合物可以0.1 wt%、0.1 wt%至6 wt%、0.1 wt%至1 wt%、約1 wt%、約1 wt%至約3 wt%、約3 wt%、約3 wt%至約6 wt%、約1 wt%至約6 wt%、約6 wt%、6 wt%至20 wt%、0.1 wt%至5 wt%、0.1 wt%至0.5 wt%、約0.5 wt%、0.5 wt%至5 wt%、約5 wt%、5 wt%至6 wt%、5 wt%至7 wt%、6 wt%至7 wt%、約7 wt%、約20 wt%等等存在於陽極中。另外，錫及/或含錫化合物可以量添加至陽極，使得相對於陽極之活性材料重量併入至陽極中之所得錫(例如，相對於陽極之活性鐵材料重量)為自約0.044 wt%錫至約20 wt%錫，諸如約0.044 wt%錫、0.044 wt%錫至0.1 wt%錫、約0.1 wt%錫、0.1 wt%錫至6 wt%錫、0.1 wt%錫至1 wt%錫、約1 wt%錫、約1 wt%錫至約3 wt%錫、約3 wt%錫、約3 wt%錫至約6 wt%錫，約1 wt%%錫至約6 wt%錫、約6 wt%錫、6 wt%錫至20 wt%錫、0.1 wt%錫至5 wt%錫、約5 wt%錫、5 wt%錫至6 wt%錫、5 wt%錫至7 wt%錫、6 wt%錫至7 wt%錫、約7 wt%錫、6 wt%錫至10 wt%錫、約10 wt%錫、10 wt%錫至20 wt%錫、約20 wt%錫等等。
在各種實施例中，可在一電化學電池中添加或存在一錫酸鹽，諸如三水合錫酸鈉(Na 2SnO 3·3H 2O)、三水合錫酸鉀(K 2SnO 3·3H 2O)等等。在各種實施例中，可在一電化學電池(諸如一電池)之Fe陽極或電解質中以自約0.1 wt%至約20 wt%之量添加或存在一錫酸鹽，諸如三水合錫酸鈉(Na 2SnO 3·3H2O)、三水錫酸鉀(K 2SnO 3·3H 2O)等等。作為實例，可在一電化學電池(諸如一電池)之Fe陽極或電解質中以約0.1 wt%、約0.1 wt%至約15 wt%、約15 wt%、約15 wt%至約20 wt%、約20 wt%等等之量添加或存在一錫酸鹽，諸如三水合錫酸鈉(Na 2SnO 3·3H 2O)、三水錫酸鉀(K 2SnO 3·3H 2O)等等。
在一個實驗中，將0.1 M錫酸鈉(Na 2SnO 3·3H 2O)溶解於一6 M氫氧化鉀基電解質中以提供用於併入至陽極中之一錫源。具體而言，在錫酸鈉溶解之後，添加錫酸鈉之電解質之組成為5.95 M KOH、0.05 M LiOH、0.007 M Na 2S及0.1 M Na 2SnO 3·3H 2O，且實驗展示錫併入至陽極中、由陽極吸附或與陽極一起發現。在整個循環過程(20多個循環)中，該電池展現經增加總容量、步驟1容量及經增加伏打效率，其導致更長往返效率。在各種實施例中，當電解質組合物經調整時，例如藉由使用NaOH作為電解質之部分來補充或代替KOH，可使用與在氫氧化鉀電解質中所列舉之重量百分比添加所產生之莫耳濃度相似之莫耳濃度以達到類似效能位準。其他實驗展現，當硫化物可包含於陽極或電化學電池中時，可不需要將硫化物(諸如Na 2S)包含於電解質中。在此一實驗中，在錫酸鈉溶解之後，經添加且在與陽極或其他電極接觸之前的錫酸鈉之電解質之組成為5.95 M KOH、0.05 M LiOH及0.04 M Na 2SnO 3·3H 2O。
在另一實驗中，表示2.22 wt% Sn相對於活性鐵材料之5 wt%錫酸鈉(Na 2SnO 3·3H 2O)在測試之前與陽極之鐵源混合。具體而言，在錫酸鈉溶解之後，所添加之錫酸鈉之電解質之組成為5.95 M KOH、0.05 M LiOH、0.01 M Na 2S、5 wt% Na 2SnO 3·3H 2O且實驗展示錫併入至陽極中，除經增加總容量及步驟1容量之外。
在一些實施例中，氧化錫(SnO 2)可以0.01 wt%至20 wt %之濃度溶解在電解質中。在一些態樣中，SnO 2源可為錫石礦石。在一些態樣中，相對於開采之錫石礦石，SnO 2源可為一精製及/或提純之SnO 2材料。
在一些實施例中，可將圓柱 錫礦(Pb 3Sn 4FeSb 2S 14)添加至電解質及/或電極。
在一些實施例中，可將銅鐵錫硫化物(Cu 2FeSnS 4)添加至電解質及/或電極。
在一些實施例中，可將金屬錫添加至電解質及/或電極。
在一些實施例中，可將硫化錫(SnS或SnS 2)添加至電解質及/或電極。
在其中錫或含錫化合物係一固體之特定實施例中，固體之比表面積(m 2/g，如藉由氣體吸附之Brunauer-Emmett-Teller方法量測)可經最佳化以提供一特定反應性位準，使得一恆定錫流入至液相中，或將液體電解質相中之錫濃度保持在或高於一特定臨界濃度。
在一些實施例中，用於與一鐵負電極一起使用之一電解質可含有一含錫離子。具體類型或含錫離子可基於溶液之pH值及電位而不同。在鹼性電解質中，錫離子可為SnO 3 2-或Sn(OH) 6 2-。在一些實施例中，可選擇含錫離子之濃度以使得溶液中溶解之錫表示負電極中活性材料鐵之重量之0.01%與20%之間。
在各種實施例中，錫及/或含錫化合物可以任何合適方式包含於電化學電池中以導致錫併入至鐵陽極中。作為實例，錫及/或含錫化合物可以所討論之用於將添加物放置於一電化學電池中之各種方式之任何者供應至電化學電池中。
在一些實施例中，錫及/或含錫化合物可沈積於電化學電池之陽極及/或陰極上，諸如藉由無電沈積。在一些實施例中，可在電化學電池中提供一錫儲存器。錫儲存器可允許將更多錫添加至電化學電池，而非溶解度限制所允許。在一些實施例中，錫儲存器可連接至一氧化電位源以促進錫歸因於一含錫可溶性離子物質之形成而溶解。在一些實施例中，錫及/或含錫化合物可在電解質中過飽和。在一些實施例中，錫及/或含錫化合物可作為一箔、棒或其他形狀因數安置於電解質中且可隨時間溶解至電解質中。在特定實施例中，保持在一更正(更陽極)電位處之一電極可最初鍍錫。作為一個非限制性實例，在一鐵-空氣電池中，一正空氣電極可最初鍍錫，使得錫物質經電驅離正電極並進入溶液中。在特定實施例中，此空氣電極可為一析氧反應(OER)電極。例如，錫(或含錫)塗層可由熟習此項技術者已知為「熱浸」或其他方法之過程來施加。當該塗覆錫電極最初經極化至一陽極電位時，同時與一鹼性電解質接觸，錫物質可電化學溶解至溶液中且在電解質中形成錫酸鹽。在各種實施例中，錫塗層可施加在氧化表面之任何部分上。在一些實施例中，可存在附接至OER電極及/或氧還原反應(ORR)電極之一塊狀或其他形狀之錫結構且錫之塊狀或其他形狀之結構可腐蝕掉，藉此將錫添加至電解質。
在各種實施例中，當電化學電池運行時，錫及/或含錫化合物可添加至電化學電池。例如，可在電化學電池中替換錫及/或含錫化合物插入物，可將額外錫及/或含錫化合物泵入及/或依其他方式添加至電化學電池，及/或可將錫及/或含錫化合物依其他方式添加以便在電解質及/或電極中維持一選定莫耳量及/或wt %之錫及/或含錫化合物。
在各種實施例中，可將銻(Sb)及/或含銻化合物包含於(例如，添加、存在等等)一電化學電池中，諸如在電解質中，作為一電極之部分，作為電化學電池中之一儲存器等等。銻及/或含銻化合物可代替上文討論之錫及/或含錫化合物且可依一類似方式操作以塗覆鐵陽極並減少或暫停HER反應以協助改良電化學電池之充電/再充電。圖3係一銻錫波貝克斯圖。
各種實施例包含使用含錫化合物及/或含銻化合物作為具有一鐵基陽極之一電化學系統(諸如一電池)中之一電解質及/或電極之添加物。在各種實施例中，錫酸鹽之添加可提高鐵基陽極之總容量、步驟1容量、庫侖效率、伏打效率及循環。
各種實施例可包含電化學電池，其包含具有高氫氧化物濃度電解質之一鐵陽極，諸如處於或高於約6 M之氫氧化物濃度(例如，約6 M、6 M、約6 M或更大、約6 M至約7 M、6 M至7 M、約7 M或更大、約7 M至約11 M、約7 M至約10 M、約7.5 M至約9.5 M、大於7.5 M至小於9.5 M等等)。高氫氧化物濃度電解質可實現更佳步驟1反應，即Fe+2OH -⇆Fe(OH) 2+2e -。各種實施例可包含高濃度鹼性電解質，其包含高氫氧化物濃度，諸如處於或高於約6 M之氫氧化物濃度(例如，約6 M、6 M、約6 M或更大、約6 M至約7 M、6 M至7 M、約7 M或更大、約7 M至約11 M、約7 M至約10 M、約7.5 M至約9.5 M、大於7.5 M至小於9.5 M等等)，用於鐵電極電化學電池，諸如鐵陽極電池。在各種實施例中，電解質中之氫氧化物可包含KOH、NaOH、LiOH、RbOH、CsOH、FrOH、Be(OH) 2、Ca(OH) 2、Mg(OH) 2、Sr(OH) 2、Ra(OH) 2、Ba(OH) 2及其混合物之任何一或多者。在各種實施例中，KOH、NaOH及LiOH以[KOH]＞[NaOH]＞[LiOH]之比率組合。各種實施例可包含約4 M KOH、2 M NaOH、0.05 M LiOH或其等之其他組合。在各種實施例中，KOH、NaOH及LiOH以[NaOH]＞[KOH]＞[LiOH]之比率組合。各種實施例可包含約4 M NaOH、2 M KOH、0.05 M LiOH或其等之其他組合。
習知上，鐵基電池運行時間不超過約十六小時，更典型係四至十二小時之持續時間。換言之，習知上，鐵基電池在一放電模式下運行時間不超過約十六小時，對於放電模式時間段而言，更典型係四至十二小時之持續時間。因而，習知上，鐵基電池已在相對較高放電率下測試，諸如1小時至8小時持續時間以將習知鐵基電池之全部容量放電。此等較短習知放電時間及相對較高習知測試放電率，在未開發之鐵基電化學電池上留下較長放電時間之影響，諸如超過24小時、24小時至30小時、超過30小時、30小時至100小時、超過100小時、100小時至150小時、超過150小時等等。具體而言，高氫氧化物電解質(諸如在電解質中具有約6 M或更高氫氧化物之氫氧化物電解質)之影響對於具有較長放電時間(諸如超過24小時、24小時至30小時、30小時以上、30小時至100小時、100小時以上、100小時至150小時、150小時以上等等)之鐵基電化學電池先前尚未開發。
發明人已通過實驗發現，對於特定陽極材料，特定陽極材料之氫氧化物濃度小於約6 M導致效能比較高氫氧化物濃度(諸如約6 M、6 M或大於6 M)之氫氧化物濃度)更差。當使用較低純度(且因此較低成本)之材料並以較低速率循環時，發明人特別發現氫氧化物含量對效能之影響比自先前文獻所預期要強得多。因此，在長期、超低成本電網規模能量儲存之商業環境中，高氫氧化物含量對電池效能具有一獨特且出乎意料之優勢且不僅有助於增加電池中儲存之電荷量(即電池材料之容量)，而且有用地降低電池之過電位(即增加電壓)。追求高氫氧化物濃度(諸如約6 M或高於約6 M之氫氧化物濃度)係不直觀的，因為其導致一電解質比低氫氧化物電解質具有更低電導率、更高黏度及更高成本。發明人已發現，在超過24小時至30小時之持續時間中，氫氧化物含量對電池容量具有一非常強影響，較佳氫氧化物濃度在電解質中大於7 M。已測試高達約11 M之氫氧化物濃度，即使在此等非常高濃度下亦具有增強效能。氫氧化物濃度之上限係溶解度極限，其在圖5中顯示為KOH。溶解度極限係溫度相依且一電化學電池(諸如一電池)可經絕緣及/或依其他方式加熱以達成更高工作溫度且因此獲得更高氫氧化物溶解度。在一些實施例中，為了在電解質中之副反應導致氫氧化物之一淨損失時保持氫氧化物之最高可能濃度，超過溶解度極限以具有一過量供應之固體氫氧化物可為有益的。在各種實施例中，氫氧化物補充亦可藉由在整個電池壽命期間用氫氧化物鹽計量電解質來達成。
各種實施例可包含一電化學電池(諸如一電池)，其具有一鐵負電極(亦指稱一鐵陽極)及其中一總氫氧化物濃度高於7 M之一電解質。在一些實施例中，電解質可具有高於7 M之一總氫氧化物濃度且達到或超過氫氧化物在電解質中之一溶解度極限。在一些實施例中，電解質可具有高於7 M之一總氫氧化物濃度，其中包含大於6 M KOH+NaOH及大於0.05 LiOH。在一些實施例中，電解質可具有其中小於或等於11 M之一總氫氧化物濃度。在一些實施例中，電解質可具有小於或等於11 M之一總氫氧化物濃度，其中小於或等於1 M LiOH且其中小於或等於10 M KOH。在一些實施例中，當電解質為KOH基時，總氫氧化物濃度可大於7 M且小於10 M。在一些實施例中，當電解質為KOH基時，總氫氧化物濃度可大於7.5 M及小於9.5 M。
在一些實施例中，硫化物可作為一附加添加物包含於電解質中，其中硫化物濃度在0.001 M與0.5 M之間，通常為硫化鈉。可使用其他鹽來將硫化物添加至電解質中，諸如硫化鉀。在一些實施例中，可不向電解質添加額外硫化物。例如，電解質中可沒有硫化物。在一些實施例中，硫化物可存在於電化學電池之其他態樣中，諸如以陽極添加物之形式。作為一個實例，當電解質中沒有硫化物時，硫化物或一含硫化物化合物可為陽極之一添加物。在各種實施例中，本技術已知之用於增強效能之其他電解質添加物或鐵電極亦可用於電解質中。在各種實施例中，電解質中之溶劑通常可為水且較佳地係高純度水(諸如去離子水)。
圖4展示根據各種實施例使用不同氫氧化物濃度之不同DRI類型之實驗結果圖。透過在不同濃度之氫氧化物電解質下使用一陽極半電池循環，發現電解質中之6 M氫氧化物比在更高濃度之氫氧化物(諸如7 M或更高濃度之氫氧化物)下之效能更差，跨多個不同低純度鐵材料(在圖4之圖表中表示為「DRI類型」，具體而言，在圖4中標記為「1」、「2」、「3」及「4」之四種不同低純度鐵材料)。更具體而言，發現在增加電解質氫氧化物含量時，經由以下鐵氧化反應達成一容量增加，即步驟1反應Fe+2OH -⇋Fe(OH) 2+2e -。藉由增加透過步驟1反應達成之容量，不僅增加儲存於電池中之總能量，而且增加電池之伏打效率，導致往返效率之一整體增加。
各種實施例包含在一電化學系統(諸如一電池)中使用高氫氧化物濃度電解質，諸如一7莫耳(M)或更高濃度之氫氧化物。在各種實施例中，一高氫氧化物濃度電解質(諸如一7 M或更高濃度之氫氧化物)可增加儲存於電池中之電荷量(即電池材料之容量)，提高庫侖效率(即，增加儲存於預期電荷產物中之電子之部分，而非浪費在一副反應中)，及/或降低電池之過電位(即增加電壓)。
在各種實施例中，烷基聚葡糖苷可用作與金屬HER抑制劑之一共添加物。
在電池中使用多種添加物以最佳化跨各種指標之效能，包含可用容量及庫侖效率等。作為良好HER抑制劑之某些類別之添加物亦可在與感興趣之電極相同或相似之一電位視窗中具有電化學活性(例如，金屬HER抑制劑或導電添加物)。由於此等添加物可可逆地沈積在電極上，因此電極之微觀結構隨時間而演變且可形成枝晶或鈍化膜，其使電池短接或導致其他故障。
在各種實施例中，有機添加物(諸如稱為烷基多葡醣苷(APG)之化合物類)可用於控制金屬離子之化學或電化學沈積以防止枝晶之形成或在一電極之表面上產生及維持特定架構。APG係衍生自葡萄糖及一脂肪醇之有機表面活性劑。APG之醇官能團可提高在水溶液中之溶解度。APG之分子被認為吸附在鐵表面處並限制添加物在表面之沈積速率，促進在表面上形成均勻、受控沈積物。在一些實施例中，包含(但不限於) APG之有機添加物可作為額外添加物包含於電解質中。在一些實施例中，有機添加物可在第一次充電之後包含於電解質中(即，「定量」至電池中)。在一些實施例中，有機添加物可包括其他表面活性劑化學物質，包含(但不限於)直鏈烷基苯磺酸鹽、木質素磺酸鹽、脂肪醇乙氧基化物及/或烷基酚乙氧基化物。
各種實施例可包含將錫併入至一集電器中。
在鐵電極上減緩氫析出或降低HER活性之添加物可用於提高氧化鐵還原之效率。此等添加物可依各種方式及以不同形狀因數併入以最大化與感興趣之電極之相互作用及效果。在各種實施例中，可將降低HER活性之添加物併入至集電器中。
各種實施例可包含將錫或其他金屬/物質併入至集電器中。在各種實施例中，併入至集電器中之金屬/物質可為一HER抑制金屬/物質或降低HER活性之一金屬/物質。在一些實施例中，包含(但不限於)錫之一金屬/物質鍍覆在集電器上。在一些實施例中，包含(但不限於)錫之金屬/物質以足夠厚之一層鍍覆在集電器上以在溶解於電解質中時提供等於或小於0.1 M之錫或其他HER抑制物質之一量。在一些實施例中，包含(但不限於)錫之一金屬/物質藉由在與陽極接觸之一集電器之一側或兩側上之熱錫浸塗來塗覆。在一些實施例中，包含(但不限於)錫之一金屬/物質電鍍覆在集電器上。在一些實施例中，集電器係不銹鋼、碳鋼或鎳。在一些實施例中，使用包含(但不限於)錫及鉛之一金屬/物質之一混合物。
各種實施例可包含將錫併入至海綿鐵中。
錫可為使用鐵負電極之電化學能量儲存系統中之一效能增強添加物。可預想到均勻地併入含錫添加物來提高鐵電極之效能。低成本之基於海綿鐵之材料可無法併入錫生產，歸因於併入不均勻，可限制此等材料之效能。類似地，硫化物添加物已經展示提高鐵負電極之效能，包含Na 2S、FeS、SnS、SnS2、MnS及ZnS。將任何固態添加物均勻地併入至海綿鐵前體中可為困難的，尤其係依一具有成本效益之方式。
在各種實施例中，在海綿鐵還原之前，可將所需添加物併入至用於產生海綿鐵之粉末混合物中。在各種實施例中，添加物可依確保其以所需狀態到達最終產品之一方式併入(與蒸發掉或依其他方式改變狀態以不可逆地導致添加物失去功能之一方式相反)。
在一些實施例中，一錫石精礦或一些其他錫氧化物源(諸如SnO 2)可併入至一鐵精礦中用於製備直接還原鐵(DRI)，使得其在燒製步驟期間不蒸發，且接著在還原過程完成之後與氧化鐵共同還原以產生一含錫海綿。在一些實施例中，將硫化鈉、硫化鋅或硫化錳添加至氧化鐵粉末，將其還原以形成含有硫化鈉、硫化鋅或硫化錳之氧化鐵海綿。在一些實施例中，在還原之前將含有多個所需固態添加物之材料，例如圓柱錫礦(PbSn 4FeSb 2S 14)或一材料組合併入至鐵精礦中。在一些實施例中，在還原之前將錫或其他所需固態添加物併入至鐵精礦中。
在各種實施例中，若固態添加物可溶於電解質中，則固態添加物可為一成孔劑以亦增加鐵電極之孔隙率。在一個實例中，可提供溶解在用於鐵負電極之電解質中之一錫基添加物。在此等情況下，添加物同時執行多個設計角色。
各種實施例可包含氫氧化催化劑及/或氫吸氣劑作為一電化學電池之一陽極之添加物。
在一電化學能量儲存器(ESS)之操作期間，ESS之電極參與電化學還原及氧化反應。氫係一質子電解質或在一負電極(negode)處產生之一含水電解質之一ESS之一還原反應之一可能產物。在一些實施例中，可需要經由一電解質之電解析出氫氣(例如，在其中一陽極液包括可溶性氫化產物之一液流電池中)。然而，在其他實施例中，諸如在一金屬-空氣電池中，氫氣之析出(例如，在一金屬負極之充電期間)可對ESS之操作及健康產生不良後果。
在充電期間一金屬負電極處析氫之一第一不良後果可為氫氣氣泡之形成。電解質內氣泡之形成可藉由限制電解質與負電極之一表面之間的接觸而不利地影響ESS之效能。限制電解質與負電極表面之間的接觸可產生連鎖反應，諸如限制ESS之倍率效能，並導致負電極之表面上之電流分佈(熱點)不均勻。氫氣之形成可導致一壓力升高，例如在包括一密封隔室或一準密封隔室之一ESS中，該隔室進一步包括一還原金屬負電極(鐵負電極)。進一步言之，壓力積聚可藉由導致隔室中之一洩漏或成為ESS內一不受控制之燃燒或還原副反應之一燃料源而對ESS之安全及健康產生不利影響。
在充電期間在一金屬負電極處析氫之一第二不良後果可為將電荷轉化成寄生副產物，其對於產生性充電或放電係無用的，例如降低ESS之效率。
各種實施例可減輕由氫之析出導致之不利影響。在一些實施例中，可藉由包含一分子吸氫劑來減輕因析氫而產生之不利影響，用於將氫捕獲為一可溶或準可溶形式。一吸氣劑可為一脫氣劑、吸收劑或清除劑。可逆吸氣劑之實例包含鋯、鎂鎳合金；AB 5鑭鎳合金、石墨材料(石墨、石墨烯、低維碳材料)；苯基炔丙基醚；二聚苯基炔丙基醚。另外，在各種實施例中，不可逆吸氣劑可與可逆吸氣劑結合使用或代替可逆吸氣劑使用。在各種實施例中，吸氣劑可為與電解質接觸之一表面。在各種實施例中，吸氣劑可為混合至陽極複合材料中之一填充材料。在各種實施例中，吸氣劑可為電解質之一分子組分。吸氣劑之目的可為隔離H 2-消除氣泡(機械/表面阻塞效應)，隔離H 2以防止其在一燃燒反應或副反應中作為一燃料消耗且捕獲氫氣使得可在HOR中消耗增加ESS之一可逆容量。
在一些實施例中，可藉由包含一HOR催化劑來減輕由氫氣之析出引起之不利影響。催化劑之目的可為在放電時能夠在產生性氧化(HOR)中消耗氫氣，增加ESS之一可逆容量並提高庫侖效率(及擴展ESS系統之往返能量效率)。
各種實施例可包含用作一電解質添加物及/或一陰離子選擇性膜之木質素磺酸鹽。
在一電化學電池中之循環過程中或透過日曆老化，硫化物自鐵陽極之不可逆損失係一鐵陽極隨時間損失可用容量之主要原因之一者。可將硫化物添加至一鐵基電池之陽極或電解質以活化陽極材料。在充電期間鐵之還原可釋放一定量之硫化物。自鐵表面釋放之後，硫化物可接著遷移至正電極並迅速且不可逆地氧化。在沒有一施加電位之情況下，在具有一足夠正開路電位之一電極或一氧化劑(例如氧氣)存在之情況下，仍會發生氧化。此氧化導致氧化硫物質(諸如硫酸鹽)在電解質中及正電極處積累。在特定電解質中，硫酸鹽將作為一鹼金屬硫酸鹽之形式沉澱，藉由透過化學吸附或物理吸附堵塞孔隙，或透過電解質中沉澱物之積聚來實體阻斷通向電極表面之擴散路徑來堵塞電極之活性區域。
在各種實施例中，可將添加物添加至陽極或電解質以減少硫化物向正電極之遷移或消耗自陽極釋放之硫化物或硫酸鹽。在各種實施例中，另外或替代地，可在負電極與正電極之間引入陰離子選擇性膜或隔板以阻止(或進一步阻止)特定離子之遷移。
在各種實施例中，木質素及其衍生物(諸如木質素磺酸鹽)可用作電解質中之添加物、用作一膜之部分及/或用作含有一鐵陽極之一電池中之一硫化物沉槽。在苛性鹼溶液中，木質素可與硫化物及其氧化副產物反應以產生木質素磺酸鹽，並藉由在硫化物到達正電極之前與硫化物反應來阻止硫化物向正電極遷移。接著，所得木質素磺酸鹽可螯合電解質中之雜質，防止潛在有害化學物質或離子與任一電極相互作用。在各種實施例中，木質素磺酸鹽可經由與陽極之電連接、在相鄰於陽極之一可滲透容器中及/或在電解質中併入至系統中。
在一些實施例中，木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物可在0.1 vol%與10 vol%範圍之間循環之前、緊接在循環之前或在循環期間直接添加至電解質溶液(例如，5.95 M KOH、0.05 M LiOH、0.01 M Na 2S)。在一些實施例中，包含(但不限於)木質素磺酸鈉之木質素磺酸鹽型添加物可作為額外添加物包含於電解質中，其中濃度在0.1 vol%與10 vol%之間。在一些實施例中，木質素磺酸鹽類型可以0.1 vol%與1 vol%之間的濃度包含。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可以1 vol%與10 vol%之間的濃度包含。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可在形成循環之一段時間之後包含於電解質中(即「定量」至電池中)。在一些實施例中，在溶液中之硫化物經判定為低於一特定臨限值(例如，＜1.0 E至3 M或＜1.0 E至6 M)之後，木質素磺酸鹽型添加物可包含於電解質中。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可包括其他化學物質，包含(但不限於)其他官能化磺酸。
在一些實施例中，木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物可直接添加至陽極。在一些實施例中，包含(但不限於)木質素磺酸鈉之木質素磺酸鹽型添加物可作為添加物直接包含於陽極中。在一些實施例中，木質素磺酸鹽類型可作為添加物直接包含於陽極中。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可作為添加物包含於陽極中。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可在組裝成一電極之前包含於陽極中。在一些實施例中，木質素磺酸鹽型添加物可在形成之後併入至陽極之外部。
在各種實施例中，木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物可塗覆在放置於一電化學電池中之一膜上。圖7繪示根據各種實施例之包含一林戈磺酸鹽膜之一電化學電池之態樣。在一些實施例中，木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物可塗覆在一膜(例如纖維素、Celgard等等)上，其接著放置於Fe負電極與Ni正電極之間。接著可用含有硫化物之一電解質溶液(例如，5.95 M KOH、0.05 M LiOH、0.01 M Na 2S)填充電池並正常循環。在一些實施例中，將木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物塗覆在一膜(例如纖維素、Celgard等等)上，其接著放置於含有一硫化物源之Fe負電極與Ni正電極之間。接著可用不含硫化物之一電解質溶液(例如，5.95 M KOH、0.05 M LiOH)填充電池並正常循環。在一些實施例中，將木質素、木質素磺酸鹽或兩者之一混合物塗覆在一膜(例如纖維素、Celgard等等)上，其接著將放置於含有一硫化物源之Fe負電極與Ni正電極之間。接著可用含有硫化物之一電解質溶液(例如，5.95 M KOH、0.05 M LiOH、0.01 M Na 2S)填充電池並正常循環。
各種實施例可提供用於大容量能量儲存系統(諸如長期能量儲存(LODES)系統、短期能量儲存(SDES)系統等等)之裝置及/或方法。作為一實例，各種實施例可提供用於大容量能量儲存系統之電池，諸如用於LODES系統之電池。可再生能源正變得越來越普遍且具有成本效益。然而，許多可再生能源面臨阻礙可再生能源採用之一間歇性問題。藉由將可再生能源與大容量能量儲存系統(諸如LODES系統、SDES系統等等)配對，可減輕可再生能源之間歇性趨勢之影響。為支持採用經組合發電、傳輸及儲存系統(例如，一發電廠，其使一可再生發電源與一大容量能量儲存系統及在發電廠及/或大容量能量儲存系統之任何者處之傳輸設施配對)，需要裝置及方法支援此經組合發電、傳輸及儲存系統之設計及操作(諸如本文中所描述之各種實施例裝置及方法)。
一經組合發電、輸電及儲存系統可為包含一或多個發電源(例如，一或多個可再生發電源、一或多個不可再生發電源、可再生及不可再生發電源之組合等等)、一或多個傳輸設施及一或多個大容量能量儲存系統之一發電廠。發電廠及/或大容量能量儲存系統之任何者處之傳輸設施可與發電及能量儲存系統共同最佳化或可對發電及能量儲存系統設計及操作施加限制。在各種設計及操作約束下，經組合發電、傳輸及儲存系統可經組態以滿足各種輸出目標。
圖8至圖16繪示各種實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分，諸如LODES系統、SDES系統等等。本文中參考圖1至圖16描述各種實施例可用作大容量能量儲存系統之電池，諸如LODES系統、SDES系統等等及/或如本文中所描述之各種電極可用作大容量能量儲存系統之組件。如本文中所使用，術語「LODES系統」可意謂經組態以可具有24小時(h)或更長之一額定持續時間(能量/功率比)之大容量能量儲存系統，諸如24 h之一持續時間、24 h至50 h之一持續時間、大於50 h之一持續時間、24 h至150 h之一持續時間、大於150 h之一持續時間、24 h至200 h之一持續時間、大於200 h之一持續時間、24 h至500 h之一持續時間、大於500 h之一持續時間等等。
圖8繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可電連接至一風電場2402及一或多個傳輸設施2406。風電場2402可電連接至傳輸設施2406。傳輸設施2406可電連接至電網2408。風電場2402可產生電力且風電場2402可將所產生電力輸出至LODES系統2404及/或傳輸設施2406。LODES系統2404可儲存自風電場2402及/或傳輸設施2406接收之電力。LODES系統2404可將所儲存之電力輸出至傳輸設施2406。傳輸設施2406可將自風電場2402及LODES系統2404之一或兩者接收之電力輸出至電網2408及/或可自電網2408接收電力並將該電力輸出至LODES系統2404。風電場2402、LODES系統2404及傳輸設施2406一起可構成一發電廠2400，該發電廠2400可為一經組合發電、傳輸及儲存系統。由風電場2402產生之電力可透過傳輸設施2406直接饋送至電網2408，或可首先儲存於LODES系統2404中。在特定情況下，供應至電網2408之電力可完全來自風電場2402，完全來自LODES系統2404，或來自風電場2402及LODES系統2404之一組合。來自發電廠2400之經組合風電場2402及LODES系統2404之電力調度可根據一經判定長範圍(多天或甚至多年)排程受控，或可根據提前一天(24小時提前通知)市場受控，或可根據提前一個小時市場受控，或可回應於即時定價信號受控。
作為發電廠2400之操作之一個實例，LODES系統2404可用於重塑及「固定」由風電場2402產生之電力。在一個此實例中，風電場2402可具有260兆瓦特(MW)之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量係數(CF)。LODES系統2404可具有106 MW之一額定功率(容量)、150小時(h)之一額定持續時間(能量/功率比)及15,900兆瓦特時(MWh)之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有300 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有106 MW之一額定功率、200 h之一額定持續時間(能量/功率比)及21,200 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有176 MW之一峰值發電輸出(容量)及53%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有88 MW之一額定功率(容量)、150 h之一額定持續時間(能量/功率比)及13,200 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有277 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有97 MW之一額定功率(容量)、50 h之一額定持續時間(能量/功率比)及4,850 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有315 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有110 MW之一額定功率(容量)、25 h之一額定持續時間(能量/功率比)及2,750 MWh之一額定能量。
圖9繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。圖9之系統可類似於圖8之系統，除一光伏(PV)場2502可代替風場2402之外。LODES系統2404可電連接至PV場2502及一或多個傳輸設施2406。PV場2502可電連接至傳輸設施2406。傳輸設施2406可電連接至電網2408。PV場2502可產生電力且PV場2502可將所產生之電力輸出至LODES系統2404及/或傳輸設施2406。LODES系統2404可儲存自PV場2502及/或傳輸設施2406接收之電力。LODES系統2404可將所儲存之電力輸出至傳輸設施2406。傳輸設施2406可將自PV場2502及LODES系統2404之一或兩者接收之電力輸出至電網2408及/或可自電網2408接收電力並將該電力輸出至LODES系統2404。PV場2502、LODES系統2404及傳輸設施2406可一起構成一發電廠2500，其可為一經組合發電、傳輸及儲存系統。由PV場2502產生之電力可透過傳輸設施2406直接饋送至電網2408，或可首先儲存於LODES系統2404中。在特定情況下，供應至電網2408之電力可完全來自PV場2502，完全來自LODES系統2404，或來自PV場2502及LODES系統2404之一組合。來自發電廠2500之經組合PV場2502及LODES系統2404之電力調度可根據一經判定長範圍(多天或甚至多年)排程受控，或可根據提前一天(24小時提前通知)市場受控，或可根據提前一個小時市場受控，或可回應於即時定價信號受控。
作為發電廠2500之操作之一個實例，LODES系統2404可用於重塑及「固定」由PV場2502產生之電力。在一個此實例中，PV場2502可具有490 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量係數(CF)。LODES系統2404可具有340 MW之一額定功率(容量)、150 h之一額定持續時間(能量/功率比)及51,000 MWh之一額定能量。在另一此實例中，PV場2502可具有680 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有410 MW之一額定功率(容量)、200 h之一額定持續時間(能量/功率比)及82,000 MWh之一額定能量。在另一此實例中，PV場2502可具有330 MW之一峰值發電輸出(容量)及31%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有215 MW之一額定功率(容量)、150 h之一額定持續時間(能量/功率比)及32,250 MWh之一額定能量。在另一此實例中，PV場2502可具有510 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有380 MW之一額定功率(容量)、50 h之一額定持續時間(能量/功率比)及19,000 MWh之一額定能量。在另一此實例中，PV場2502可具有630 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有380 MW之一額定功率(容量)、25 h之一額定持續時間(能量/功率比)及9,500 MWh之一額定能量。
圖10繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。圖10之系統可類似於圖8及圖9之系統，除風電場2402及光伏(PV)場2502兩者可為在發電廠2600中一起工作之發電機之外。PV場2502、風電場2402、LODES系統2404及傳輸設施2406一起可構成發電廠2600，其可為一經組合發電、傳輸及儲存系統。由PV場2502及/或風電場2402產生之電力可透過傳輸設施2406直接饋送至電網2408，或可首先儲存於LODES系統2404中。在特定情況下，供應至電網2408之電力可完全來自PV場2502、完全來自風電場2402、完全來自LODES系統2404、或來自PV場2502、風電場2402及LODES系統2404之一組合。來自發電廠2600之經組合風電場2402、PV場2502及LODES系統2404之電力調度可根據一經判定長範圍(多天或甚至多年)排程受控，或可根據提前一天(24小時提前通知)市場受控，或可根據提前一個小時市場受控，或可回應於即時定價信號受控。
作為發電廠2600之操作之一個實例，LODES系統2404可用於重塑及「固定」由風電場2402及PV場2502產生之電力。在一個此實例中，風電場2402可具有126 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)且PV場2502可具有126 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有63 MW之一額定功率(容量)、150 h之一額定持續時間(能量/功率比)及9,450 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有170 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)且PV場2502可具有110 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有57 MW之一額定功率(容量)、200 h之一額定持續時間(能量/功率比)及11,400 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有105 MW之一峰值發電輸出(容量)及51%之一容量因數(CF)且PV場2502可具有70 MW之一峰值發電輸出(容量)及31%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有61 MW之一額定功率(容量)、150 h之一額定持續時間(能量/功率比)及9,150 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有135 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)且PV場2502可具有90 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有68 MW之一額定功率(容量)、50 h之一額定持續時間(能量/功率比)及3,400 MWh之一額定能量。在另一此實例中，風電場2402可具有144 MW之一峰值發電輸出(容量)及41%之一容量因數(CF)且PV場2502可具有96 MW之一峰值發電輸出(容量)及24%之一容量因數(CF)。LODES系統2404可具有72 MW之一額定功率(容量)、25 h之一額定持續時間(能量/功率比)及1,800 MWh之一額定能量。
圖11繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可電連接至一或多個傳輸設施2406。依此方式，LODES系統2404可依一「獨立」方式操作以圍繞市場價格仲裁能量及/或避免傳輸限制。LODES系統2404可電連接至一或多個傳輸設施2406。傳輸設施2406可電連接至電網2408。LODES系統2404可儲存自傳輸設施2406接收之電力。LODES系統2404可將所儲存之電力輸出至傳輸設施2406。傳輸設施2406可將自LODES系統2404接收之電力輸出至電網2408及/或可自電網2408接收電力且將該電力輸出至LODES系統2404。
LODES系統2404及傳輸設施2406一起可構成一發電廠900。作為一實例，發電廠900可位於一傳輸約束之下游，接近電力消耗。在位於發電廠2700之下游之此一實例中，LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間且可在傳輸容量不足以服務客戶時每年經歷一或多次完全放電以支持峰值電力消耗。另外，在位於發電廠2700之下游之此一實例中，LODES系統2404可經歷若干次淺放電(每天或以更高頻率)以仲裁夜間與白天電價之間的差異並降低對客戶之電力服務之總成本。作為又一實例，發電廠2700可位於一傳輸約束之上游，靠近發電。在位於發電廠2700之上游之此一實例中，LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間且可在傳輸容量不足以將電力分配到客戶時每年經歷一或多次完全放電以有時吸收過多發電。另外，在位於發電廠2700之上游之此一實例中，LODES系統2404可經歷若干次淺充電及放電(每天或以更高頻率)以仲裁夜間與白天電價之間的差異並最大化發電設施之輸出值。
圖12繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可電連接至一商業及工業(C&I)客戶2802，諸如一資料中心、工廠等等。LODES系統2404可電連接至一或多個傳輸設施2406。傳輸設施2406可為電連接至電網2408。傳輸設施2406可自電網2408接收電力並將該電力輸出至LODES系統2404。LODES系統2404可儲存自傳輸設施2406接收之電力。LODES系統2404可將所儲存之電力輸出至C&I客戶2802。依此方式，LODES系統2404可操作以重塑自電網2408購買之電力以匹配C&I客戶2802之消費模式。
LODES系統2404及傳輸設施2406一起可構成一發電廠2800。作為一實例，發電廠2800可靠近電力消耗定位，即靠近C&I客戶2802，諸如在電網2408與C&I客戶2802之間。在此一實例中，LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間且可自市場購買電力且藉此在電力更便宜時向LODES系統2404充電。接著，LODES系統2404可在市場價格昂貴時放電以向C&I客戶2802提供電力，因此抵消C&I客戶2802之市場購買。作為一替代組態，而非位於電網2408與C&I客戶2802之間，發電廠2800可位於一可再生資源之間，諸如一PV場、風電場等等，且傳輸設施2406可連接至可再生資源。在此一替代實例中，LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間，且LODES系統2404可在可再生輸出可用時充電。接著，LODES系統2404可放電以向C&I客戶2802提供可再生發電，以便滿足C&I客戶2802電力需求之一部分或全部。
圖13繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可電連接至一風電場2402及一或多個傳輸設施2406。風電場2402可電連接至傳輸設施2406。傳輸設施2406可電連接至一C&I客戶2802。風場2402可產生電力且風電場2402可將所產生之電力輸出至LODES系統2404及/或傳輸設施2406。LODES系統2404可儲存自風電場2402接收之電力。
LODES系統2404可將所儲存之電力輸出至傳輸設施2406。傳輸設施2406可將自風電場2402及LODES系統2404之一或兩者接收之電力輸出至C&I客戶2802。風電場2402，LODES系統2404及傳輸設施2406一起可構成一發電廠2900，其可為一經組合發電、傳輸及儲存系統。由風電場2402產生之電力可透過傳輸設施2406直接饋送至C&I客戶2802，或可首先儲存於LODES系統2404中。在特定情況下，供應至C&I客戶2802之電力可完全來自風電場2402，完全來自LODES系統2404或來自風電場2402及LODES系統2404之一組合。LODES系統2404可用於重塑由風電場2402產生之電力以匹配C&I客戶2802之消耗模式。在一個此實例中，LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間且可在風電場2402之可再生發電超過C&I客戶2802負載時充電。接著，LODES系統2404可在風電場2402之可再生發電未達到C&I客戶2802負載時放電，以便為C&I客戶2802提供抵消C&I客戶2802電力消耗之一小部分或全部之一穩定可再生設定檔。
圖14繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可為一發電廠3000之部分，發電廠3000用於將大量可再生發電整合至微電網中並使由(例如)一PV場2502及風電場2402之可再生發電之輸出與由(例如)一熱電廠3002 (例如，一燃氣發電廠、一燃煤發電廠、一柴油發電機組等等或熱發電方法之一組合)之現有熱發電相協調，而可再生發電及熱發電以高可用性為C&I客戶2802負載供電。微電網(諸如由發電廠3000及熱電廠3002構成之微電網)可提供90%或更高之可用性。由PV場2502及/或風電場2402產生之電力可直接饋送至C&I客戶2802，或可首先儲存於LODES系統2404中。
在特定情況下，供應至C&I客戶2802之電力可完全來自PV場2502、完全來自風電場2402、完全來自LODES系統2404、完全來自熱電廠3002或來自PV場2502、風電場2402、LODES系統2404及/或熱電廠3002之任何組合。作為實例，發電廠3000之LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間。作為一具體實例，C&I客戶2802負載可具有100 MW之一峰值，LODES系統2404可具有14 MW之一額定功率及150 h之持續時間，天然氣可具有6美元/百萬英熱單位(MMBTU)之成本，且可再生滲透率可為58%。作為另一具體實例，C&I客戶2802負載可具有100 MW之一峰值，LODES系統2404可具有25 MW之一額定功率及150 h之持續時間，天然氣可具有8美元/MMBTU之成本，且可再生滲透率可為65%。
圖15繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可用於增強一核電廠3102 (或其他不靈活發電設施，諸如一熱電廠、一生物質電廠等等及/或在1小時內具有低於50%之額定功率之一斜坡率及80%或更高之一高容量因數之任何其他類型電廠)以增加由經組合LODES系統2404及核電廠3102構成之發電廠3100之經組合輸出之靈活性。核電廠3102可在高容量因數及在最高效率點處操作，而LODES系統2404可充電及放電以有效地重塑核電廠3102之輸出以匹配一客戶電力消耗及/或電力之一市場價格。作為實例，發電廠3100之LODES系統2404可具有24 h至500 h之一持續時間。在一個具體實例中，核電廠3102可具有1,000 MW之額定輸出且核電廠3102可由於低迷電力市場定價而被迫進入長時間之最低穩定發電或甚至停機。LODES系統2404可避免設施停機並在市場定價低迷時充電；且LODES系統2404可隨後在市場定價過高時放電並提高總輸出發電。
圖16繪示一實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。作為一具體實例，併入各種實施例之一或多個態樣之大容量能量儲存系統可為一LODES系統2404。作為一實例，LODES系統2404可包含本文中所描述之各種實施例電池、本文中所描述之各種電極等等。LODES系統2404可與一SDES系統3202串聯操作。LODES系統2404及SDES系統3202一起可構成一發電廠3200。作為一實例，可共同最佳化LODES系統2404及SDES系統3202，藉此LODES系統2404可提供各種服務，包含長持續時間備份及/或橋接多日波動(例如，市場定價、可再生能源發電、電力消耗等等之多日波動)，且SDES系統3202可提供各種服務，包含快速輔助服務(例如電壓控制、頻率調節等等)及/或橋接日內波動(例如市場定價、可再生能源發電、電力消耗等等之日內波動)。SDES系統3202可具有少於10小時之持續時間及大於80%之往返效率。LODES系統2404可具有24 h至500 h之持續時間及大於40%之往返效率。在一個此實例中，LODES系統2404可具有150小時之一持續時間且支持客戶電力消耗長達一週之可再生不足發電。LODES系統2404亦可在日內發電不足事件期間支持客戶電力消耗，增強SDES系統3202之能力。進一步言之，SDES系統3202可在日內發電不足事件期間為客戶供電並提供電力調節及品質服務(諸如電壓控制及頻率調節)。
在以下段落中描述各種實施例之態樣之各種實例。
實例1.一種電池，其包括：一第一電極，其包括鐵；一電解質；及一第二電極，其中該第一電極或該電解質包含一添加物。實例2.如實例1之電池，其中該添加物含有具有一低析氫反應(HER)活性及/或改良該第一電極之充電之一元素。實例3.如實例1至2中任一項之電池，其中該鐵包括直接還原鐵(DRI)及/或另一海綿鐵粉。實例4.如實例1至3中任一項之電池，其中該元素包括錫及/或銻。實例5.如實例4之電池，其中該添加物包括三水錫酸鈉(Na 2SnO 3•3H 2O)、金屬錫、三水錫酸鉀(K 2SnO 3•3H 2O)、氧化錫(SnO 2)、圓柱錫礦(Pb 3Sn 4FeSb 2S 14)、銅鐵錫硫化物(Cu 2FeSnS 4)、鉛錫合金(60/40 Sn/Pb焊料、63/37 Sn/Pb焊料、Terne I合金：10-20% Sn，其餘為Pb)、鋅錫合金(Terne II合金：10-20%Sn，其餘為Zn)或硫化錫(SnS或SnS 2)。實例6.如實例1至5中任一項之電池，其中該添加物在該電解質中以0.1 mM或更大之一濃度。實例7.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約10 mM之一濃度。實例8.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約100 mM之一濃度。實例9.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約10 mM至約100 mM之一濃度。實例10.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約650 mM之一濃度，或其中該添加物在該電解質中以約50 mM之一濃度。實例11.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約670 mM之一濃度。實例12.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中以約750 mM之一濃度。實例13.如實例6之電池，其中該添加物在該電解質中處於或低於一飽和極限。實例14.如實例1至5中任一項之電池，其中該添加物在該第一電極中以自該第一電極之約0.1 wt%至該第一電極之約20 wt%之一量。實例15.如實例14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約1 wt%之一量。實例16.如實例14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約6 wt%之一量。實例17.如實例14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約1 wt%至10 wt%之一量。實例18.如實例1至17中任一項之電池，其中該電解質包括氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鉀(KOH)及/或氫氧化鈉(NaOH)及可選地硫化鈉(Na 2S)。實例19.如實例1至18中任一項之電池，其中該添加物鍍覆在該第二電極上。實例20.如實例1至19中任一項之電池，其中該添加物安置於懸浮於該電解質中之一儲存器中。實例21.如實例1至3及18至20中任一項之電池，其中該添加物包括銻。實例22.如實例1至21中任一項之電池，其中該電解質包括一或多個氫氧化物且該電解質中之一總氫氧化物濃度為約6 M或更大。實例23.如實例1至21中任一項之電池，其中該電解質包括一或多個氫氧化物且該電解質中之一總氫氧化物濃度大於7 M。實例24.如實例23之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於或等於11 M。實例25.如實例24之電池，其中該電解質包含大於6 M之經組合KOH及NaOH及大於或等於0.05 M之LiOH。實例26.如實例24之電池，其中該電解質包含一更大濃度之KOH、NaOH及LiOH，使得KOH之一莫耳濃度大於NaOH之一莫耳濃度且NaOH之該莫耳濃度大於LiOH之一莫耳濃度。實例27.如實例23之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於10 M。實例28.如實例23之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7.5 M且小於9.5 M。實例29.如實例27至28中任一項之電池，其中該電解質包含KOH。實例30.如實例22至29中任一項之電池，其中該電解質包含至少0.05 M之LiOH。實例31.如實例22至30中任一項之電池，其中該電解質包含KOH、NaOH、LiOH、RbOH、CsOH、FrOH、Be(OH) 2、Ca(OH) 2、Mg(OH) 2、Sr(OH) 2、Ra(OH) 2、Ba(OH) 2及其混合物之任何一或多者。實例32.如實例22至31中任一項之電池，其中該電解質包含一硫化物。實例33.如實例32之電池，其中該電解質中之該硫化物濃度在0.001 M與0.5 M之間。實例34.如實例21至30中任一項之電池，其中該電解質不包含一硫化物。實例35.如實例1至34中任一項之電池，其中該添加物至少部分係一固體。實例36.如實例35之電池，其中選擇該固體之一表面積以提供一位準之反應性，使得添加物恆定流入至該液體電解質相中及/或維持該添加物在該液體電解質相中之濃度處於或高於一選定濃度。
實例37.一種電池，其包括：一第一電極，其包括鐵；一電解質；及一第二電極，其中該電解質包括一或多個氫氧化物。
實例38.如實例37之電池，其中該鐵係直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉。
實例39.一種電池，其包括：一第一電極，其包括直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉；一電解質，其包括氫氧化物；及一第二電極，其中該第一電極或該電解質進一步包括一添加物，該添加物包括錫、鉛或銻之至少一者。
實例40.如實例37至39中任一項之電池，其中該電解質中之一總氫氧化物濃度為約6 M或更大。實例41.如實例37至39中任一項之電池，其中該電解質中之一總氫氧化物濃度大於7 M。實例42.如實例41之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於或等於11 M。實例43.如實例42之電池，其中該電解質包含大於6 M之經組合KOH及NaOH及大於或等於0.05 M之LiOH。實例44.如實例42之電池，其中該電解質包含一更大濃度之KOH、NaOH及LiOH，使得KOH之一莫耳濃度大於NaOH之一莫耳濃度且NaOH之該莫耳濃度大於LiOH之一莫耳濃度。實例45.如實例37至39中任一項之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於10 M。實例46.如實例37至39中任一項之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7.5 M且小於9.5 M。實例47.如實例45至46中任一項之電池，其中該電解質包含KOH。實例48.如實例37至47中任一項之電池，其中該電解質包含至少0.05 M之LiOH。實例49.如實例37至48中任一項之電池，其中該電解質包含KOH、NaOH、LiOH、RbOH、CsOH、FrOH、Be(OH) 2、Ca(OH) 2、Mg(OH) 2、Sr(OH) 2、Ra(OH) 2、Ba(OH) 2及其混合物之任何一或多者。實例50.如實例37至49中任一項之電池，其中該電解質包含一硫化物。實例51.如實例50之電池，其中該電解質中之該硫化物濃度在0.001 M與0.5 M之間。實例52.如實例37至49中任一項之電池，其中該電解質不包含一硫化物。
實例53.一種大容量能量儲存系統，其包括：一或多個電池之一堆疊，其中該一或多個電池之至少一者包括實例1至52中任一實例之一電池。實例54.如實例53之大容量能量儲存系統，其中該大容量能量儲存系統係一長持續時間能量儲存(LODES)系統。實例55.如實例54之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過24小時之一週期。實例56.如實例55之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過30小時之一週期。實例57.如實例55之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過100小時之一週期。實例58.如實例55之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過150小時之一週期。
實例59.一種操作具有一鐵基電極之一電池之方法，其包括：將實例1至36中任一實例之一添加物添加至該電池；及/或將根據實例37至52中任一實例之氫氧化物添加至該電池。實例60.如實例59之方法，其中該鐵基電極包含DRI或另一海綿鐵粉。實例61.如實例59之方法，其進一步包括將一或多個有機添加物添加至該電池之一電解質。實例62.如實例61之方法，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。實例63.如實例59至62中任一實例之方法，其進一步包括將錫併入至該電池之一集電器中。實例64.如實例59至62中任一項之方法，其進一步包括：在還原海綿鐵之前，將選定添加物併入至用於產生該海綿鐵之一粉末混合物中。實例65.如實例59至64中任一項之方法，其進一步包括向該電池添加一HOR催化劑。實例66.如實例59至65中任一項之方法，其進一步包括以一可溶或準可溶形式捕獲氫。實例67.如實例59至66中任一項之方法，其進一步包括：添加添加物至該陽極及/或電解質以減少硫化物至該正電極遷移或消耗自該陽極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或添加陰離子選擇性膜或隔板以阻止特定離子之遷移。實例68.如實例67之方法，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
實例69.一種方法，其包括將一或多個有機添加物添加至一電池之一電解質。實例70.如實例69之方法，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
實例71.一種方法，其包括將錫併入至一電池之一集電器中。
實例72.一種方法，其包括在還原海綿鐵之前，將選定添加物併入至用於產生該海綿鐵之一粉末混合物中且由該所產生之海綿鐵形成該電池之一電極。
實例73.一種方法，其包括將一HOR催化劑添加至該電池。
實例74.一種方法，其包括以一可溶或準可溶形式捕獲氫。
實例75.一種方法，包括：添加添加物至一電池之一陽極及/或電解質以減少硫化物至一正電極之遷移或消耗自該陽極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或添加陰離子選擇性膜或隔板至該電池以阻止特定離子之遷移。實例76.如實例75之方法，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
實例77.如實例1至52中任一項之電池及/或如實例53至58中任一項之大容量能量儲存系統，其中該電解質包含一或多個有機添加物。實例78.如實例77之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
實例79.如實例1至52、77及78中任一項之電池及/或如實例53至58、77及78中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括其中併入錫之一集電器。
實例80.如實例1至52及77至79中任一項之電池及/或如實例53至58及77至79中任一項之大容量能量儲存系統，其中該DRI或另一海綿鐵粉包括經併入至用於產生該DRI或另一海綿鐵粉之一粉末混合物中之選定添加物。
實例81.如實例1至52及77至80中任一項之電池及/或如實例53至58及77至80中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括一HOR催化劑及/或一吸氫劑。
實例82.如實例1至52及77至81中任一項之電池及/或如實例53至58及77至81中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括：該第一電極及/或電解質中之添加物，其用於減少硫化物遷移至該第二電極或消耗自該第一電極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或一陰離子選擇性膜或隔板，其用於阻止特定離子之遷移。實例83.如實例82之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
實例84.一種電池及/或大容量能量儲存系統，其中該電解質包含一或多個有機添加物。實例85.如實例84之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
實例86.一種電池及/或大容量能量儲存系統，其中一集電器在其中併入錫。
實例87.一種電池及/或大容量能量儲存系統，其具有包括DRI或另一海綿鐵粉之一電極，該海綿鐵粉包括併入用於產生該DRI或另一海綿鐵粉之一粉末混合物中之選定添加物。
實例88.一種電池及/或大容量能量儲存系統，其包括一HOR催化劑及/或一吸氫劑。
實例89.一種電池及/或大容量能量儲存系統，其包括：一第一電極及/或一電解質中之添加物，其用於減少硫化物遷移至該第二電極或消耗自該第一電極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或一陰離子選擇性膜或隔板，其用於阻止特定離子之遷移。實例90.如實例89之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
前述方法描述僅作為繪示性實例提供且不旨在要求或暗示各種實施例之步驟必須以所呈現之順序執行。如熟習此項技術者將瞭解，前述實施例中之步驟之順序可依任何順序執行。字詞(諸如「之後」、「接著」、「下一步」等等)並不一定旨在限制步驟之順序；此等字詞可用於引導讀者瞭解方法之描述。此外，以單數形式對申請專利範圍元件之任何引用，例如，使用冠詞「一」、「一個」或「該」不應被解釋為將元件限制為單數。
提供所揭示實施例之前述描述以使實習此項技術之任何人能夠製造或使用所描述之實施例。熟習此項技術者將容易明白對此等實施例之各種修改，且本文中所界定之一般原理可應用於其他實施例而不背離本發明之範疇。因此，本發明不旨在限於本文中所展示之實施例，而係將符合與以下申請專利範圍及本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
100:電化學電池 102:負電極及電解質 103:正電極及電解質 104:隔板 105:聚丙烯網 106:聚乙烯背板 107:集電器 108:聚乙烯框架 150:加熱器 2400:發電廠 2402:風電場 2404:LODES系統 2406:傳輸設施 2408:電網 2500:發電廠 2502:光伏(PV)場 2600:發電廠 2700:發電廠 2800:發電廠 2802:C&I客戶 2900:發電廠 3000:發電廠 3002:熱電廠 3100:發電廠 3102:核電廠 3200:發電廠 3202:SDES系統
併入本文並構成本說明書之部分之附圖繪示申請專利範圍之實例實施例，且與上文給出之一般描述及下文給出之詳細描述一起用於解釋申請專利範圍之特徵。
圖1係根據本發明之各種實施例之一電化學電池之一示意圖。
圖2A至圖2C係錫波貝克斯圖(pourbaix diagram)。
圖3係一銻波貝克斯圖。
圖4展示根據各種實施例使用不同氫氧化物濃度之不同DRI類型之實驗結果的曲線圖。
圖5係KOH對溫度之一溶解度圖。
圖6係一K 2Sn(OH) 6-KOH-H 2O體系在25.0°C下之一相圖。
圖7繪示根據各種實施例之包含一木質素磺酸鹽膜之一電化學電池之態樣。
圖8至圖16繪示各種實例系統，其中各種實施例之一或多個態樣可用作大容量能量儲存系統之部分。
100:電化學電池
102:負電極及電解質
103:正電極及電解質
104:隔板
105:聚丙烯網
106:聚乙烯背板
107:集電器
108:聚乙烯框架
150:加熱器

Claims (77)

  1. 一種電池，其包括： 一第一電極，其包括直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉； 一電解質；及 一第二電極， 其中該第一電極或該電解質包含一添加物，該添加物含有具有一低析氫反應(HER)活性及/或改良該第一電極之充電之一元素。
  2. 如請求項1之電池，其中該元素包括錫及/或銻。
  3. 如請求項2之電池，其中該添加物包括三水錫酸鈉(Na 2SnO 3•3H 2O)、金屬錫、三水錫酸鉀(K 2SnO 3•3H 2O)、氧化錫(SnO 2)、圓柱錫礦(Pb 3Sn 4FeSb 2S 14)、銅鐵錫硫化物(Cu 2FeSnS 4)、鉛錫合金(60/40 Sn/Pb焊料、63/37 Sn/Pb焊料、Terne I合金：10-20% Sn，其餘為Pb)、鋅錫合金(Terne II合金：10-20%Sn，其餘為Zn)或硫化錫(SnS或SnS 2)。
  4. 如請求項2之電池，其中該元素包括錫。
  5. 如請求項1至4中任一項之電池，其中該添加物在該電解質中以0.1 mM或更大之一濃度。
  6. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以1 mM與110 mM之間的一濃度。
  7. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以100 mM與1 M之間的一濃度。
  8. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以約10 mM至約100 mM之一濃度。
  9. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以約650 mM之一濃度。
  10. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以約50 mM之一濃度。
  11. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以約670 mM之一濃度。
  12. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中以約750 mM之一濃度。
  13. 如請求項5之電池，其中該添加物在該電解質中處於或低於一飽和極限。
  14. 如請求項1至4中任一項之電池，其中該添加物在該第一電極中以自該第一電極之約0.1 wt%至該第一電極之約20 wt%之一量。
  15. 如請求項14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約1 wt%之一量。
  16. 如請求項14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約6 wt%之一量。
  17. 如請求項14之電池，其中該添加物在該第一電極中以約1 wt%至10 wt%之一量。
  18. 如請求項1至17中任一項之電池，其中該電解質包括氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鉀(KOH)及/或氫氧化鈉(NaOH)及可選地硫化鈉(Na 2S)。
  19. 如請求項1至18中任一項之電池，其中該添加物鍍覆在該第二電極上。
  20. 如請求項1至19中任一項之電池，其中該添加物安置於懸浮於該電解質中之一儲存器中。
  21. 如請求項1至2及5至20中任一項之電池，其中該添加物包括銻。
  22. 如請求項1至21中任一項之電池，其中該電解質包括一硫化物。
  23. 如請求項22之電池，其中該電解質中之該硫化物濃度在0.001 M與0.5 M之間。
  24. 如請求項1至21中任一項之電池，其中該電解質不包含一硫化物。
  25. 如請求項1至24中任一項之電池，其中該添加物至少部分係一固體。
  26. 如請求項25之電池，其中選擇該固體之一表面積以提供一位準之反應性，使得添加物恆定流入至該液體電解質相中及/或維持該添加物在該液體電解質相中之濃度處於或高於一選定濃度。
  27. 一種電池，其包括： 一第一電極，其包括直接還原鐵(DRI)或另一海綿鐵粉； 一電解質，其包括氫氧化物；及 一第二電極， 其中該第一電極或該電解質進一步包括一添加物，該添加物包括錫、鉛或銻之至少一者。
  28. 如請求項27之電池，其中該電解質中之一總氫氧化物濃度為約6 M或更大。
  29. 如請求項27之電池，其中該電解質中之一總氫氧化物濃度大於7 M。
  30. 如請求項29之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於或等於11 M。
  31. 如請求項30之電池，其中該電解質包含大於6 M之經組合KOH及NaOH及大於或等於0.05 M之LiOH。
  32. 如請求項30之電池，其中該電解質包含一更大濃度之KOH、NaOH及LiOH，使得KOH之一莫耳濃度大於NaOH之一莫耳濃度且NaOH之該莫耳濃度大於LiOH之一莫耳濃度。
  33. 如請求項27之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7 M且小於10 M。
  34. 如請求項27之電池，其中該電解質中之該總氫氧化物濃度大於7.5 M且小於9.5 M。
  35. 如請求項33至34中任一項之電池，其中該電解質包含KOH。
  36. 如請求項27至35中任一項之電池，其中該電解質包含至少0.05 M之LiOH。
  37. 如請求項27至36中任一項之電池，其中該電解質包含KOH、NaOH、LiOH、RbOH、CsOH、FrOH、Be(OH) 2、Ca(OH) 2、Mg(OH) 2、Sr(OH) 2、Ra(OH) 2、Ba(OH) 2及其混合物之任何一或多者。
  38. 如請求項27至37中任一項之電池，其中該電解質包含一硫化物。
  39. 如請求項38之電池，其中該電解質中之該硫化物濃度在0.001 M與0.5 M之間。
  40. 如請求項27至37中任一項之電池，其中該電解質不包含一硫化物。
  41. 一種大容量能量儲存系統，其包括： 一或多個電池之一堆疊，其中該一或多個電池之至少一者包括如請求項1至40中任一項之一電池。
  42. 如請求項41之大容量能量儲存系統，其中該大容量能量儲存系統係一長持續時間能量儲存(LODES)系統。
  43. 如請求項42之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過24小時之一週期。
  44. 如請求項43之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過30小時之一週期。
  45. 如請求項42之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過100小時之一週期。
  46. 如請求項42之大容量能量儲存系統，其中該LODES系統經組態以放電超過150小時之一週期。
  47. 一種操作具有一鐵基電極之一電池之方法，其包括： 將如請求項1至26中任一項之一添加物添加至該電池；及/或 將根據請求項27至40中任一項之氫氧化物添加至該電池。
  48. 如請求項47之方法，其進一步包括將一或多個有機添加物添加至該電池之一電解質。
  49. 如請求項48之方法，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
  50. 如請求項47至49中任一項之方法，其進一步包括將錫併入至該電池之一集電器中。
  51. 如請求項47至49中任一項之方法，其進一步包括在還原海綿鐵之前，將選定添加物併入至用於產生該海綿鐵之一粉末混合物中。
  52. 如請求項47至51中任一項之方法，其進一步包括向該電池添加一HOR催化劑。
  53. 如請求項47至51中任一項之方法，其進一步包括以一可溶或準可溶形式捕獲氫。
  54. 如請求項47至53中任一項之方法，其進一步包括： 添加添加物至該陽極及/或電解質以減少硫化物至該正電極遷移或消耗自該陽極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或 添加陰離子選擇性膜或隔板以阻止特定離子之遷移。
  55. 如請求項54之方法，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
  56. 一種方法，其包括將一或多個有機添加物添加至一電池之一電解質。
  57. 如請求項56之方法，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
  58. 一種方法，其包括將錫併入至一電池之一集電器中。
  59. 一種方法，其包括在還原海綿鐵之前，將選定添加物併入至用於產生該海綿鐵之一粉末混合物中且由該所產生之海綿鐵形成該電池之一電極。
  60. 一種方法，其包括將一HOR催化劑添加至該電池。
  61. 一種方法，其包括以一可溶或準可溶形式捕獲氫。
  62. 一種方法，其包括： 添加添加物至一電池之一陽極及/或電解質以減少硫化物至一正電極之遷移或消耗自該陽極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或 添加陰離子選擇性膜或隔板至該電池以阻止特定離子之遷移。
  63. 如請求項62之方法，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
  64. 如請求項1至40中任一項之電池及/或如請求項40至45中任一項之大容量能量儲存系統，其中該電解質包含一或多個有機添加物。
  65. 如請求項64之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
  66. 如請求項1至40、64及65中任一項之電池及/或如請求項41至46、64及65中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括其中併入錫之一集電器。
  67. 如請求項1至40及64至66中任一項之電池及/或如請求項41至46及64至66中任一項之大容量能量儲存系統，其中該DRI或另一海綿鐵粉包括經併入至用於產生該DRI或另一海綿鐵粉之一粉末混合物中之選定添加物。
  68. 如請求項1至40及64至67中任一項之電池及/或如請求項41至46及64至67中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括一HOR催化劑及/或一吸氫劑。
  69. 如請求項1至40及64至68中任一項之電池及/或如請求項41至46及64至68中任一項之大容量能量儲存系統，其進一步包括： 該第一電極及/或電解質中之添加物，其用於減少硫化物遷移至該第二電極或消耗自該第一電極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或 一陰離子選擇性膜或隔板，其用於阻止特定離子之遷移。
  70. 如請求項69之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
  71. 一種電池及/或大容量能量儲存系統，其中該電解質包含一或多個有機添加物。
  72. 如請求項70之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該一或多個有機添加物包括一或多個烷基聚葡糖苷。
  73. 一種電池及/或大容量能量儲存系統，其中一集電器在其中併入錫。
  74. 一種電池及/或大容量能量儲存系統，其具有包括DRI或另一海綿鐵粉之一電極，該海綿鐵粉包括併入用於產生該DRI或另一海綿鐵粉之一粉末混合物中之選定添加物。
  75. 一種電池及/或大容量能量儲存系統，其包括一HOR催化劑及/或一吸氫劑。
  76. 一種電池及/或大容量能量儲存系統，其包括： 一第一電極及/或一電解質中之添加物，其用於減少硫化物遷移至該第二電極或消耗自該第一電極釋放之該硫化物或硫酸鹽；及/或 一陰離子選擇性膜或隔板，其用於阻止特定離子之遷移。
  77. 如請求項76之電池及/或大容量能量儲存系統，其中該添加物及/或陰離子選擇性膜或隔板包括木質素及其衍生物，諸如木質素磺酸鹽。
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