本申請是PCT申請第PCT/US2011/030613號于2012年9月28日進入中國國家階段得到的、申請?zhí)枮?01180016873.6、申請日為2011年3月30日、發(fā)明名稱為“高性能液流電池組”的發(fā)明專利申請的分案申請。相關(guān)申請案的交叉引用本申請案主張在2010年3月30日提交的美國臨時申請案第61/319,248號和在2010年4月9日提交的美國臨時申請案第61/322,780號的權(quán)益，所述美國臨時申請案以引用方式全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能電化學(xué)電池和電池組，并且更特定來說涉及液流電池組。
背景技術(shù)：
：能量經(jīng)濟的“綠色化”、可再生能源(諸如，風(fēng)能和太陽能)不斷增長的需求和使用、以及(例如)插入式混合動力車輛和全電力車輛的預(yù)期激增日益使配電電網(wǎng)緊張。高容量電能存儲技術(shù)(諸如，抽送水電技術(shù))可在電網(wǎng)負荷平衡、自產(chǎn)生時間至使用高峰期的時移可再生能源中起著重要作用，然而，地理位置和成本限制所述高容量電能存儲技術(shù)的使用，尤其是在地區(qū)水平上的使用?，F(xiàn)有的高容量電池組技術(shù)(例如，液流電池組)對于廣泛采用來說過于昂貴，因為輸送的所得能量和/或功率的有效成本大大高于市場價格。因此存在對于低成本、高容量、高效率和高性能電池組技術(shù)的實質(zhì)上未滿足的需要。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的實施例提供高性能液流電池組設(shè)備和用于增強、充電、操作和使用液流電池組的方法。本發(fā)明的各種實施例提供的高電流密度充電率和放電率處于近似70mA/cm2至400mA/cm2范圍內(nèi)，并且更特定來說處于100mA/cm2至250mA/cm2范圍內(nèi)。本發(fā)明的高性能、堿性鋅/鐵氰化亞鐵可充電(“ZnFe”)液流電池組的實施例是基于對于現(xiàn)有技術(shù)的許多改善。這些實施例也適用于結(jié)合金屬電鍍來存儲能量的其它液流電池組(諸如：ZnHBr；ZnBr；CeZn；和ZnCl)。第一，電池組設(shè)計具有電池堆疊，所述電池堆疊包含至少一個正的半電池中的低電阻正極和至少一個負的半電池中的低電阻負極，其中選擇正極電阻和負極電阻以獲得整個電池堆疊區(qū)域上的均勻高電流密度，即，使電極上的電阻足夠低以確保整個電極上較小的電壓變化，因此均勻電流流出電極之外并在整個電池堆疊上流動。第二，以高水平混合(本文也稱為“高速率混合”和“高度混合”)流經(jīng)接近沉積表面的Zn沉積區(qū)域中的至少一個負的半電池的電解液流(例如，ZnFe電池組中的鋅物種)，其中接近于沉積表面的電解液具有足夠高的鋅濃度，以在沉積表面上獲得維持均勻高電流密度的沉積速率。負的半電池中電解液流和液流的混合經(jīng)設(shè)計以提供足以支持高電流密度的傳質(zhì)系數(shù)并提供(例如)鋅在電池的沉積表面上的實質(zhì)上均勻沉積。此外，一些實施例已將液流設(shè)計成以小于極限電流的電流提供鋅沉積，其中所沉積的鋅具有密集、附著的非枝狀形態(tài)。第三，鋅電解液具有高濃度，并且在一些實施例中，鋅電解液的濃度大于平衡飽和濃度，即，鋅電解液的Zn離子超飽和。本發(fā)明的不同實施例組合這些改善中的一或更多個改善。高度混合流經(jīng)電池的電解液流可能是由于平行板通道中較高的流體速度造成的。然而，液流中的混合可由諸如以下的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)：導(dǎo)電網(wǎng)孔和非導(dǎo)電網(wǎng)孔；篩網(wǎng)；帶；泡沫結(jié)構(gòu)；圓錐體、圓柱體或角錐體的陣列；和線或管子的其它布置，上述結(jié)構(gòu)可單獨使用或與平坦電極表面組合使用。這類結(jié)構(gòu)的使用可允許具有層流或具有湍流的電解液以較高的或較低的流體速度高度混合。此外，用于使湍流平靜的結(jié)構(gòu)可包括在緊接在電池之后的電解液流體管路中。根據(jù)本發(fā)明的實施例，用于操作液流電池組的方法可包括使以層流態(tài)或湍流態(tài)高度混合的電解液流經(jīng)接近沉積表面的Zn沉積區(qū)域中的至少一個負的半電池。此外，一些實施例包括沉積具有密集、附著的非枝狀形態(tài)的Zn。可在電池組電池的充電和/或放電期間利用高度混合液流。附圖說明在結(jié)合附圖審閱本發(fā)明的特定實施例的以下描述之后，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將更加明白本發(fā)明的這些和其它方面和特征，其中：圖1為鋅氧化還原液流電池組的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的鋅氧化還原液流電池組的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的液流電池的示意性透視圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，含在框架內(nèi)的圖3的電池的示意性透視圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，氧化還原液流電池組的電池配置的第一實例的示意性橫截面圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，氧化還原液流電池組的電池配置的第二實例的示意性橫截面圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，氧化還原液流電池組的電池配置的第三實例的示意性橫截面圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)編織線網(wǎng)孔特征的實例；圖9為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)非編織線網(wǎng)孔特征的實例；圖10為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)線/管子特征的實例；圖11為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)圓柱體陣列的實例；圖12為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)圓錐體陣列的實例；圖13為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，液流電池組電極的表面上的混合誘導(dǎo)角錐體陣列的實例；和圖14為根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的液流層化特征的橫截面圖。具體實施方式現(xiàn)在將參照諸圖詳細描述本發(fā)明的實施例，所述圖提供為本發(fā)明的一些實施例的說明性實例，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。值得注意的，下文的圖和實例并不意味著將本發(fā)明的范疇限于單個實施例，而是以互換所描述或圖示元件中的一些或全部元件的方式的其它實施例是有可能的。此外，在可部分地或完全地使用已知組件來實施本發(fā)明的某些元件的情況下，將僅描述理解本發(fā)明所必需的這類已知組件的那些部分，并且將省略這類已知組件的其它部分的詳細描述，以免使本發(fā)明模糊。在本說明書中，顯示單個組件的實施例不應(yīng)視為限制性的；相反地，本發(fā)明旨在涵蓋包括多個相同組件的其它實施例，反之亦然，除非本文明確地表示并非如此。此外，除非同樣地明確闡述，否則申請者并不旨在對說明書或權(quán)利要求書中的任何術(shù)語賦予不常見的或特殊的意義。此外，本發(fā)明涵蓋現(xiàn)在和將來已知的等效物，所述等效物等效于本文以說明方式提及的已知組件。本發(fā)明的實施例提供高性能液流電池組設(shè)備和用于增強、充電、操作和使用液流電池組的方法。圖1圖示現(xiàn)有技術(shù)氧化還原液流電池組100的實例。例如，參見Wu等人的IndianJournalofTechnology，第24卷，1986年7月，第372-380頁。液流電池組包含正的半電池110和負的半電池120，正的半電池110和負的半電池120分別由隔膜130分隔。半電池的電解液存儲于槽140和槽150中并抽送通過半電池，如通過箭頭所示。圖1中所示的液流電池組為Zn/Fe氧化還原液流電池組；正極電解液為Fe復(fù)合物，并且負極電解液為鋅酸鹽。然而，現(xiàn)有技術(shù)液流電池組不能以足夠高的電流密度操作并且效率不足夠高來經(jīng)濟上可行地用于大規(guī)模能量存儲。本發(fā)明提供對于液流電池組的改善，所述改善將允許低成本但具有高效率的高電流密度操作。例如，本發(fā)明的一些實施例將提供氧化還原液流電池組，所述氧化還原液流電池組的充電電流密度為70mA/cm2、80mA/cm2、90mA/cm2、100mA/cm2、125mA/cm2、150mA/cm2、200mA/cm2和甚至更高。本發(fā)明的一些實施例的堿性鋅/鐵氰化亞鐵(“ZnFe”)可充電電池組系統(tǒng)旨在用于公用供電設(shè)施負荷平衡、負荷跟蹤、區(qū)域調(diào)節(jié)服務(wù)、輸配電延期應(yīng)用、風(fēng)能和太陽能整合應(yīng)用等兆瓦特能量存儲應(yīng)用，所述應(yīng)用的能量存儲容量自數(shù)分鐘(諸如，15分鐘)至高達24小時持續(xù)時間和超過24小時持續(xù)時間。ZnFe電池組為混合氧化還原液流電池組，其中活性物質(zhì)(氧化鋅和氰亞鐵酸鈉)作為氫氧化鈉電解液中的飽和溶液存儲于電池外部的儲存槽中并被送到電化學(xué)反應(yīng)的位點。在充電期間，能量以沉積于鋅電極基板上的鋅金屬的形式存儲并存儲為通過氰亞鐵酸鹽反應(yīng)物的陽極氧化形成的氰鐵酸鹽。當(dāng)負荷需要要求時，可通過陽極溶解鋅以形成氧化鋅同時將氰鐵酸鹽離子還原成氰亞鐵酸鹽，而自電池吸取能量。這些過程高度可逆并具選擇性，從而使電池的操作具有以下優(yōu)點：高循環(huán)效率、高電池電壓、自負荷至隔離或自隔離至滿負荷小于5ms的隨機循環(huán)時間和切換時間。尤其當(dāng)充電(沉積)期間的操作電流密度增加時，現(xiàn)有技術(shù)液流電池組，尤其是基于Zn的液流電池組具有枝狀晶體生長的問題。例如，鋅枝狀晶體可能在沉積(充電)過程期間在基于鋅的電池組中由于各種原因形成。鋅枝狀晶體可能在基于鋅的電池組中產(chǎn)生問題，所述問題包括性能降低、電池短路和操作壽命減少，所有所述問題會增加有效操作成本。本發(fā)明的實施例將通過增加用于給電池充電和放電的可維持的操作電流密度，減少或最小化枝狀晶體的生長，來提高鋅液流電池組和其它液流電池組的性能(從而降低操作成本)。對于給定的液流電池組額定功率，本發(fā)明的尤其用于電網(wǎng)存儲器應(yīng)用的液流電池組實施例一般將具有近似處于自20kW至25MW和更大的范圍內(nèi)的功率輸出和近似處于5kWh至600MWh范圍內(nèi)的能量輸出或自5分鐘至15分鐘至24小時內(nèi)的放電持續(xù)時間，但可使用更高和更低的功率輸出和能量輸出。大體充電時間和放電時間由特定液流電池組產(chǎn)品的市場應(yīng)用界定。典型的放電時間為15分鐘、1小時、2小時、4小時、8小時、12小時、16小時和24小時。充電時間與放電時間的比率一般處于2比1或1比1或1比2的范圍內(nèi)，其中近似1比1的充電與放電比率較為理想。本發(fā)明的高性能液流電池組(例如，ZnFe液流電池組)的實施例基于對于現(xiàn)有技術(shù)的許多改善，所述改善將允許以高電流密度操作和/或降低電池組整體操作成本。第一，電池組設(shè)計具有電池，所述電池包含至少一個正的半電池中的低電阻正極和至少一個負的半電池中的低電阻負極，其中選擇正極電阻和負極電阻以獲得電池堆疊區(qū)域上的均勻高電流密度，即，使電極上的電阻足夠低以確保電極上較小的電壓變化，因此均勻電流流出電極之外并在電池的至少一個區(qū)域上流動(例如，電壓變化通常小于5mV至10mV，其中電池上的電阻在操作電流密度100mA/cm2下產(chǎn)生小于200mV的損失，對應(yīng)于電流密度變化小于20％)。電池通常一起串聯(lián)裝配成電池堆疊，所述電池堆疊包括多個電池。電池堆疊中的電池之間的電氣連接可呈雙極電極或其它電極設(shè)計的形式，所述其它電極設(shè)計包括使用導(dǎo)線將電池串聯(lián)和/或并聯(lián)連接在一起，以制得電池堆疊。通常組合多個電池堆疊來制得電池組系統(tǒng)。第二，高速率混合的電解液(例如，ZnFe電池組中的鋅物種)的流動速率通過接近沉積表面的Zn沉積區(qū)域中的至少一個負的半電池來誘導(dǎo)，其中電解液溶液具有足夠高的鋅濃度，以在沉積表面上獲得維持電池上或電池堆疊中的實質(zhì)上全部電池上的均勻高電流密度的沉積速率。負的半電池中的液流經(jīng)設(shè)計以提供鋅在沉積表面上的實質(zhì)上均勻沉積。此外，一些實施例將液流設(shè)計成提供鋅沉積，其中鋅具有密集、附著的非枝狀形態(tài)。液流可用混合元件層化，或可通過較高速度下的湍流或較低速度下的湍流，用向電池的流動通道添加的湍動元件實現(xiàn)混合。第三，鋅電解液具有高濃度，并且在一些實施例中，鋅電解液的濃度大于平衡飽和濃度，即，鋅電解液的鋅離子超飽和。本發(fā)明的不同實施例組合這些改善中的一或更多個改善。液流電池組操作電流密度為活性離子物種的濃度的函數(shù)。本發(fā)明的一些實施例提供超飽和電解液，以增加尤其在充電期間的離子濃度。可通過化學(xué)途徑或電化學(xué)途徑配制具有超飽和鋅(Zn)離子的鋅酸鹽電解液。例如，可配制鋅酸鹽電解液具有近似～1摩爾至～1.9摩爾的鋅離子，所述鋅酸鹽電解液保持穩(wěn)定超過一天。參見Dirkse，JournaloftheElectrochemicalSociety，第128卷(第7號)，1987年7月，第1412-1415頁；Dirkse，JournaloftheElectrochemicalSociety，第134卷(第1號)，1987年1月，第11-13頁；和Debiemme-Chouvy&Vedel，JournaloftheElectrochemicalSociety，第138卷(第9號)，1991年9月，第2538-2542頁。應(yīng)注意，可允許電解液中具有鋅酸鹽粒子，條件是粒度相對于電解液通道(即，電池的流動通道)的尺寸較小。此外，用于ZnFe液流電池組的電解液化學(xué)組成具有提供堿性(高pH)電解液的附加優(yōu)點，所述堿性電解液化學(xué)組成比許多更具酸性的替代性電解液化學(xué)組成腐蝕性更小。堿性化學(xué)組成有利于液流電池組的組件的初始成本和壽命，所述組件諸如，用以輸送電解液流往返于液流電池組的電池堆疊的管道裝置和泵。電池沉積表面上和通過電池堆疊的高操作電流密度降低了電池組的每單位功率有效成本或能量輸出并降低了整體操作成本。本發(fā)明的實施例將通過確保尤其在充電(沉積)期間避免或最小化枝狀晶體生長，來提供可維持的較高操作電流密度。通過確保電池中的沉積表面上大體均勻的操作電流密度，并通過確保在電池沉積表面處或接近于電池沉積表面處的可用電解液中始終存在充分的、大體均勻和高濃度的離子，將避免或最小化枝狀晶體生長，其中離子濃度與高操作電流密度一致并且足夠或大于維持通過一或更多個沉積表面的電流密度所需要的濃度。在未充分混合的情況下，電解液的層流流經(jīng)電池流動通道的高電流密度操作導(dǎo)致沉積表面處或接近于沉積表面處的擴散邊界層中的離子濃度降低，所述離子濃度降低導(dǎo)致不均勻沉積和枝狀晶體生長。以導(dǎo)致流經(jīng)電池流動通道的電解液流中的混合(通過層流或者湍流)的電解液流流態(tài)操作電池，會增加傳質(zhì)系數(shù)并減小沉積表面處的擴散邊界層厚度，所述傳質(zhì)系數(shù)增加和擴散邊界層厚度減小又增加了用于沉積的離子的可得性。離子(例如，ZnFe電池組中鋅酸鹽中的鋅離子濃度)的高可得性允許較高電流密度操作，而不會顯著地耗盡一或更多個電池沉積表面的均勻區(qū)域中的電解液濃度，并因此幾乎沒有或沒有枝狀晶體生長。電解液中增加的鋅酸鹽離子濃度與沉積表面附近的電池流動通道中電解液的增加的混合兩者(兩者都相對于現(xiàn)有技術(shù)電池)的組合將減少或消除枝狀晶體的形成。這樣將允許可維持的增加的高電流密度操作并將產(chǎn)生較小尺寸的電池、較小的整體電池堆疊和較小的整體模組，因此將降低給定功率和/或電流輸出的電池、堆疊和模組成本和整體操作成本。這些所得能力將提供更經(jīng)濟的電池組系統(tǒng)并將降低電池組系統(tǒng)的能量和功率輸出的整體成本。通過設(shè)計電解液流和電池流動通道幾何結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生足夠的混合或湍動而減小沉積表面處的擴散邊界層厚度，來增強電池性能。下文表1和表2顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的電池流動通道中的液流的高操作電流密度以及相關(guān)聯(lián)的平均傳質(zhì)系數(shù)(km)估計的說明性值。傳質(zhì)系數(shù)與傳到電極表面的傳質(zhì)速率(mol/cm2.s)和本體溶液與電極表面處之間的濃度差(mol/cm3)有關(guān)。還可依據(jù)舍伍德(Sherwood)數(shù)或平均舍伍德數(shù)(Shm)來描述用于增加操作電流密度的電池流動通道中的混合，所述舍伍德數(shù)或平均舍伍德數(shù)定義為無因次傳質(zhì)系數(shù)，也定義為電解液中對流傳送與擴散傳送的離子的比率。應(yīng)注意，基于流經(jīng)3D湍流結(jié)構(gòu)的液流的相關(guān)性計算下文表中舍伍德數(shù)的實例；然而，可在本發(fā)明的精神和范疇內(nèi)使用其它計算方法。iL為極限電流密度，即電極表面(或電極固體界面)處零離子濃度下的以mA/cm2計的電流密度。iapp為有利的電池操作電流密度，出于表1中實例的目的定義為以mA/cm2計iL的近似～2/3倍(但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認識到，可在本發(fā)明的各種實施例的精神和范疇內(nèi)使用其它值或定義)。v為流經(jīng)電池流動通道的電解液的以cm/s計的平均流速。Cb為本體溶液濃度，即擴散邊界層外部的活性離子濃度，以mol/l計。下文表1和表2也提供這些參數(shù)的說明性實例。盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員對這些參數(shù)和術(shù)語熟悉，但額外細節(jié)可見于書中，所述書諸如，L.GaryLeal的“AdvancedTransportPhenomenon:FluidMechanicsandConvectiveTransport”，第9章，由劍橋大學(xué)出版社出版于2007年，和WarrenL.McCabe、JulianC.Smith和PeterHarriot的“UnitOperationsofChemicalEngineering”，第21章，由McGrawHillInc出版(第V版，1993年)。iapp(mA/cm2)70100150200250400Cb(mol/L)0.250.250.250.250.250.25iL(mA/cm2)105150225300375600km(cm/s)2.3×10-33.1×10-34.6×10-36.2×10-37.8×10-312.4×10-3Shm6486129172215342表1.操作范圍實例，其中Cb＝0.25(mol/L)iapp(mA/cm2)70100150200250400Cb(mol/L)1.01.01.01.01.01.0iL(mA/cm2)105150225300375600km(cm/s)5.3×10-47.7×10-41.2×10-31.5×10-31.9×10-33×10-3Shm162132435486表2.操作范圍實例，其中Cb＝1(mol/L)對于處于70mA/cm2至400mA/cm2的近似范圍內(nèi)的電池操作來說，理想的傳質(zhì)系數(shù)介于近似5×10-4cm/s與1.24×10-2cm/s之間。對于處于70mA/cm2至400mA/cm2的近似范圍內(nèi)的電池操作來說，理想的平均舍伍德數(shù)介于近似15與350之間。表3中顯示以下高電流密度的8小時充電操作的一或更多個電池沉積表面上的經(jīng)計算的鋅沉積厚度。電流密度(mA/cm2)100200400沉積物厚度(cm)0.170.340.68沉積物容量(mAh/cm2)8001,6003,200沉積物質(zhì)量(g/cm2)0.9761.9513.902表3.8小時充電的近似鋅沉積厚度應(yīng)注意，這些厚度數(shù)字與電流密度和時間線性地成比例。例如，對于電流密度100mA/cm2，計算出生長速率近似0.21毫米/小時；對于電流密度200mA/cm2，計算出生長速率近似0.43毫米/小時；和對于電流密度400mA/cm2，計算出生長速率近似0.85毫米/小時。盡管本文提供的實例為ZnFe氧化還原液流電池組，但可使用本發(fā)明的教導(dǎo)和原理來制造其它氧化還原液流電池組。例如，可制造以下電池組：ZnHBr；ZnBr；CeZn；和ZnCl。圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的液流電池組200的示意圖。圖2為ZnFe液流電池組的實例。液流電池組200具有正極212、負極222和膜210，負極222的表面上存在鍍鋅區(qū)域224，膜210分隔正極通道211與負極通道221。分別針對正極電解液管路和負極電解液管路，用箭頭213和箭頭223指示流經(jīng)電池中分隔通道的電解液流和流經(jīng)其余流體管路的電解液流。每一流體管路包括電池通道(211和221)、可選的液流平靜特征262(諸如，圖14中所示的液流平靜特征)、電解液儲存槽(240和250，電解液儲存槽240在這個實例中含有正極電解液氰亞鐵酸鈉/氰鐵酸鈉溶液，電解液儲存槽250在這種情況下含有負極電解液鋅酸鈉溶液)、泵263和一或更多個流量傳感器264。泵263、傳感器264和泵控制器265經(jīng)配置以控制通過電池的電解液的流動，包括控制電池中的流態(tài)，即，流態(tài)可為貫穿本申請案描述的層流、混合流和/或湍流。通過計算電池通道體積、電解液流的速率和期望在電池出口腔室處的鋅酸鹽耗盡的量，來確定通過電化學(xué)電池每一側(cè)抽送的電解液的量，其中考慮了能量存儲持續(xù)時間和界定電解液存儲槽尺寸的管道體積和管道段長度。針對每電池堆疊給定量的電解液，取決于用于電化學(xué)電池的電解液的性質(zhì)，使用在強堿(例如，2至5NNaOH)或強酸條件下具有耐久性和長壽命的構(gòu)造材料來選擇泵尺寸。通常，對每一電池堆疊選擇兩個泵，每一電解液對應(yīng)一個泵。構(gòu)造的大體可接受材料包括聚丙烯、聚乙烯、氟化聚合物、聚醚酮、聚砜、聚苯硫醚等。各種傳感器經(jīng)選擇以在存儲槽、管道、泵、電池通道的入口點和出口點中的各個位置處測量流體速度、流體流動的方向、溫度、壓力和其它度量。來自每一傳感器的各個數(shù)據(jù)信號通過信號線或通過無線傳輸器傳輸至數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)流并使用算法、設(shè)定點和控制輸入，以將數(shù)據(jù)信號發(fā)送至風(fēng)扇(在需要時用于冷卻)、閥和發(fā)動機，以按照命令控制(例如，增加、減小或保持)發(fā)動機速度和閥位置，進而增加、減小、保持恒定或改變流體方向。數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)可在某些條件下將警報信號和其它性能數(shù)據(jù)發(fā)送至遠距離定位的控制室。往返于電池通道的管道經(jīng)設(shè)計并經(jīng)設(shè)計尺寸以最小化分路電流損失，并且取決于電解液的性質(zhì)，針對在強堿或強酸條件下的耐久性選擇構(gòu)造的材料。電化學(xué)系統(tǒng)大體位于流體容納系統(tǒng)內(nèi)部，所述流體容納系統(tǒng)包含適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱途瘓笃?，以指示任何電解液泄漏。圖3圖示電池300的示意性透視圖。例如，電池300可為大致0.5cm厚，其中較大尺寸為大致30cm×30cm至高達132cm×67cm。在圖7中圖示截面X-X的橫截面圖。圖3圖示在兩側(cè)具有雙極結(jié)構(gòu)元件的電池300。電池具有正極通道211和負極通道221，正極通道211與負極通道221通過膜230分隔。通過負極通道抽送負極電解液，并且通過正極通道抽送正極電解液，如圖所示；分別通過箭頭213和箭頭223顯示正極電解液流體流和負極電解液流體流。上文參照圖7提供電池的進一步細節(jié)。圖4圖示框架410中的圖3的電池300。電池300由框架410圍繞，框架410用來將膜(隔膜)和雙極結(jié)構(gòu)元件固定在適當(dāng)位置，從而產(chǎn)生流動通道、密封流動通道的邊緣、提供附接電解液流和回管的位置，并且電池300可選地可含有電解液分配岐管和液流平靜特征。向電池300提供的進出框架的正極電解液流和負極電解液流分別通過箭頭213和箭頭223來指示。在圖5至圖7中提供根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的電池的更詳細的實例。例如，電池的大尺寸可為30cm×30cm、90cm×90cm、60cm×90cm、45cm×90cm或132cm×67cm。在圖5至圖7中提供電池的組件的橫截面尺寸的實例。然而，本發(fā)明不限于這些電池尺寸，并且本發(fā)明可用于更小或更大尺寸的電池。以橫截面圖示電池，并且截面垂直于電池的較大表面。(例如，參見圖3中的截面X-X。)功率密度為電池化學(xué)組成和電池電流密度的函數(shù)。例如，對于200mA/cm2下的ZnFe，放電功率密度為約0.3W/cm2。對于上文列出的電池尺寸，每電池所得功率將分別為近似274W、2.43kW、1.60kW、1.22kW和2.45kW。圖5圖示本發(fā)明的雙極ZnFe氧化還原液流電池組電池的示意性橫截面的第一實例。圖示單個電池組電池，所述單個電池組電池包含負的半電池220、正的半電池210和雙極結(jié)構(gòu)元件270。雙極結(jié)構(gòu)元件270分隔相鄰電池的正的半電池與負的半電池。(參見圖6。)這個實例中的雙極結(jié)構(gòu)元件270為50％石墨纖維/PPS互連器，在所述互連器上存在鎘金屬發(fā)條(strike)271。(PPS為聚苯硫醚?？墒褂门c導(dǎo)電填料組合的其它聚合物材料來代替雙極結(jié)構(gòu)元件的構(gòu)造中的PPS，所述其它聚合物材料諸如，聚醚酮、聚砜、聚乙烯、聚丙烯等，所述導(dǎo)電填料諸如，石墨纖維或薄片、某些碳粉和碳黑、碳納米管、導(dǎo)電金屬粉末等。)正的半電池210包含多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極，所述多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極完全填充正極通道211，即，正極電解液流經(jīng)多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極。負的半電池220包括Cd金屬發(fā)條271上的可變厚度的鍍Zn區(qū)域224和負極電解液流動通道221。單獨電池的正的半電池和負的半電池通過膜230與彼此分隔，膜230由諸如Nafion-114的材料或另一種隔膜材料制成。膜230保持鋅酸鹽與鐵電解質(zhì)分隔，但Na離子和水能夠移動穿過膜。膜材料可為具有或不具有接枝離子化學(xué)物種的隔膜材料。為了以高電流密度(例如，充電電流密度200mA/cm2)操作圖5的雙極電池，在負極流動區(qū)域中產(chǎn)生較高傳質(zhì)速率?？赏ㄟ^將混合速率增加至現(xiàn)有技術(shù)電池的混合速率以上和/或通過將電解液流體流動速率增加至現(xiàn)有技術(shù)電池的電解液流體流動速率以上，來實現(xiàn)這一結(jié)果?？赏ㄟ^向電池通道添加混合元件、或通過增加速度而不達到湍流態(tài)、或通過增加速度直至實現(xiàn)湍流為止、或通過引入下文論述的湍動產(chǎn)生元件，來執(zhí)行這一操作。應(yīng)注意，鋅沉積電流密度為流體(電解液)速度和雷諾數(shù)的函數(shù)。參見R.D.Naybour的“TheEffectofElectrolyteFlowontheMorphologyofZincElectrodepositedfromAqueousAlkalineSolutionContainingZincateIons”，J.Eletrochem.Soc.，第520-525頁，1969年4月。應(yīng)注意，沉積操作電流密度也為活性物種的濃度的函數(shù)。圖6圖示雙極ZnFe氧化還原液流電池組電池的示意性橫截面的第二實例。正極612包含多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極，所述多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極附接至雙極Ni/Cu電極272，即，Ni網(wǎng)孔附接至雙極電極的Ni面。正極電解液流動區(qū)域被多孔Ni網(wǎng)孔占據(jù)。負極622可包含涂覆Cd、Sn或Pb的高表面區(qū)域Cu或Ni網(wǎng)孔，所述高表面區(qū)域Cu或Ni網(wǎng)孔的孔隙率為(例如)60％至98％。被涂覆的Cu或Ni網(wǎng)孔附接至雙極電極272的Cu面。被涂覆的Cu或Ni網(wǎng)孔占據(jù)負極電解液流動區(qū)域，并且網(wǎng)孔產(chǎn)生負極電解液流中的混合，而不需要較高流體速度。電池設(shè)置成使得被涂覆的Cu或Ni網(wǎng)孔可電鍍有高達近似20％至70％體積的Zn。圖6也圖示雙極電極272(或圖5的雙極結(jié)構(gòu)元件270)如何分隔電池與相鄰電池并有助于電池堆疊的有效率的和有成本效益的構(gòu)造。在圖6中圖示相鄰電池。圖7圖示雙極ZnFe氧化還原液流電池組電池的示意性橫截面的第三實例。(圖7為圖3中的截面X-X。)正極通道211包含多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極，所述多孔Ni網(wǎng)孔氧化還原電極附接至雙極Ni/Cu電極272，即，Ni網(wǎng)孔附接至雙極電極的Ni面。正極電解液流動區(qū)域被多孔Ni網(wǎng)孔占據(jù)。負極通道221包括鋅金屬電鍍區(qū)域224和特征280，特征280經(jīng)配置以誘導(dǎo)高效的混合或湍動。特征280的實例圖示于圖8至圖13中且在下文描述。(應(yīng)注意，特征280可定位于沉積表面上方的流動通道中，如圖7中所示，或在其它實施例中，特征280可直接定位于沉積表面上，如圖11至圖13中所示，而圖8至圖10圖示可定位于沉積表面上或者沉積表面上方的結(jié)構(gòu)。)這些特征經(jīng)設(shè)計以產(chǎn)生液流的高速率混合，同時不一定需要高速度(因此會導(dǎo)致較高的抽送功率耗散)。將Zn金屬電鍍于雙極電極272的Cu面上。Cu面可能替代性地還涂覆有Cd、Sn或Pb。應(yīng)注意，圖11至圖13中所示的圓柱體、圓錐體和角錐體將由非導(dǎo)電材料制成并圖示為具有尖銳的邊緣和點。然而，如果希望由導(dǎo)電材料制成圓柱體、圓錐體和角錐體，那么所述圓柱體、圓錐體和角錐體應(yīng)具有較鈍的邊緣和末端而非尖銳的邊緣和點。(應(yīng)注意，為了改善Zn電鍍的均勻性，如果用以誘導(dǎo)混合和/或湍動的特征為導(dǎo)電的，則所述特征不應(yīng)具有尖銳的點或邊緣，尖銳的點和邊緣為電場集中器并導(dǎo)致不理想的不均勻電鍍并且甚至導(dǎo)致枝狀晶體形成。)此外，特征不應(yīng)占據(jù)過大體積而使得流經(jīng)陽極通道的液流受到不適當(dāng)?shù)淖璧K——參見下文以獲得進一步細節(jié)。應(yīng)注意，可針對特定通道幾何結(jié)構(gòu)，通過使用(例如)雷諾數(shù)方便地定義誘導(dǎo)湍流的條件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉雷諾數(shù)的計算，包括針對含有特征(諸如，圖8至圖13中所示的那些特征)的通道的雷諾數(shù)的計算。大致上，對于圖7中所示的具有實質(zhì)上矩形通道的電池，至少近似大于1,300或優(yōu)選為2,000的雷諾數(shù)可用以確保湍流，其中通過水力直徑界定特征長度。較窄流動通道(L>>W)的水力直徑為通道厚度的兩倍，即2W，其中L和W為垂直于流體流動方向測量的流動通道的長度和寬度。(參見圖3。)對于圖7中所示的包含圖8至圖13中所示特征的電池，較低的雷諾數(shù)可足以確保有效率的混合或高速率混合，例如，至少近似8或更大的雷諾數(shù)可足以確保有效率的混合。然而，特定的雷諾數(shù)將隨電池和流動通道設(shè)計和混合特征而變化。圖8圖示適合于在液流電池組電極表面上誘導(dǎo)電解液流中的混合或湍動的結(jié)構(gòu)的實例。小區(qū)段的編織線網(wǎng)孔820圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面。線網(wǎng)孔820中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)層流、半湍流或者湍流中的所需混合。應(yīng)注意，也可通過使網(wǎng)孔接近于電極810的表面而不一定在電極810的表面上，來實現(xiàn)類似效果。適合的線直徑將介于通道厚度的20％與50％之間。在一些實施例中，線網(wǎng)孔為導(dǎo)電的并充當(dāng)電極表面的一部分，從而增加總的電極表面面積(除充當(dāng)混合元件的網(wǎng)孔之外)。在其它實施例中，網(wǎng)孔為非導(dǎo)電的并在平坦電極表面上混合液流。當(dāng)非導(dǎo)電網(wǎng)孔夾在電極與膜之間時，非導(dǎo)電網(wǎng)孔還可用以確保指定的電極與膜間隔。在其它實施例中，可能存在若干層網(wǎng)孔，一些為導(dǎo)電的，并且一些為非導(dǎo)電的。在一個這類實例中，導(dǎo)電網(wǎng)孔鄰近于電極，并且非導(dǎo)電網(wǎng)孔介于導(dǎo)電網(wǎng)孔與膜之間。非導(dǎo)電網(wǎng)孔充當(dāng)間隔物以保持電鍍表面遠離膜，以及充當(dāng)液流混合結(jié)構(gòu)。非導(dǎo)電網(wǎng)孔可由塑料或其它非導(dǎo)電材料或低電導(dǎo)率材料制成。在進一步實施例中，可能存在具有變化的電導(dǎo)率的一系列相鄰網(wǎng)孔。這種結(jié)構(gòu)將確定局部電場，所述局部電場控制局部電流分配，因此控制電鍍均勻性。圖9圖示適合于誘導(dǎo)層流電解液流或湍流電解液流中的混合的另一結(jié)構(gòu)。小區(qū)段的非編織線網(wǎng)孔830圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面。線網(wǎng)孔830中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)層流或湍流中的所需混合。應(yīng)注意，也可通過使網(wǎng)孔接近于電極810的表面而不一定在電極810的表面上，來實現(xiàn)類似效果。適合的線直徑將介于通道厚度的10％與50％之間。在一些實施例中，可在電池通道上堆疊或間隔設(shè)置多個線，以進一步增強性能。圖10圖示適合于誘導(dǎo)層流電解液流或湍流電解液流中的混合的又一結(jié)構(gòu)。平行線/管子840圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面并垂直于線/管子的長軸。線/管子840中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)理想的湍流(非層流)。應(yīng)注意，也可通過使線/管子接近于電極810的表面而不一定在電極810的表面上，來實現(xiàn)類似效果。適合的線直徑將介于通道厚度的10％與90％之間。圖11圖示用于誘導(dǎo)層流電解液流或湍流電解液流中的混合的特征陣列的一部分。圓柱體陣列850圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面。圓柱體陣列850中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)液流中的所需混合。所圖示的圓柱體由非導(dǎo)電材料形成并且可具有尖銳的邊緣。適合的圓柱體高度介于通道厚度的20％與100％之間。間隔和直徑必須達到產(chǎn)生期望流動速率下的湍動的程度。圖12圖示用于誘導(dǎo)層流電解液流或湍流電解液流中的混合的另一特征陣列的一部分。圓錐體(或錐形圓柱體)陣列860圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面。圓錐體陣列860中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)層流或湍流中的理想混合。所圖示的錐形圓柱體由非導(dǎo)電材料形成并且可具有尖銳的點。適合的圓柱體高度介于通道厚度的20％與100％之間。間隔和直徑必須達到產(chǎn)生混合，同時不會隨著Zn沉積物厚度增加時通道厚度的減小而不適當(dāng)?shù)卦黾恿鲃幼枇Φ某潭?。圖13圖示用于誘導(dǎo)電解液流中的混合的又一特征陣列的一部分。這是為了說明除圓柱體之外的形狀也是適合的。角錐體陣列870圖示為在電極810表面的一部分上。電解液流動方向通過箭頭來指示；流動大體平行于電極810的表面。角錐體陣列870中斷流體流動，從而在電極表面上誘導(dǎo)液流的所需混合。所圖示的錐形特征由非導(dǎo)電材料形成并且可具有尖銳的邊緣，并且所圖示的錐形特征可具有其它橫截面，例如，三角形的、其它多邊形的或橢圓形的橫截面。適合的特征高度介于通道厚度的20％與100％之間。間隔和直徑必須達到產(chǎn)生期望流動速率下的混合的程度。錐形可經(jīng)選擇以維持高速率的混合，同時不會隨著Zn沉積物厚度增加時通道厚度的減小而不適當(dāng)?shù)卦黾恿鲃幼枇?。圖8至圖13提供可用以在電極表面上誘導(dǎo)電解液流中混合的特征的實例的范圍。然而，這些實例并不旨在成為全面的清單，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本揭示案之后將更加明白適合于誘導(dǎo)層流和/或湍流中混合的進一步特征。例如，進一步特征可包括：上文描述的特征的組合；導(dǎo)電網(wǎng)孔和非導(dǎo)電網(wǎng)孔；帶；泡沫結(jié)構(gòu)；和線或管子的其它布置。圖11至圖13中所示的陣列圖示為特征的規(guī)則陣列；然而，這些陣列也可具有隨機定位的特征或部分隨機定位的特征。圖8至圖13的特征圖示為在液流電池組電極的表面上。然而，這類特征可剛好在電解液在整個電極上流動之前替代性地或另外地位于電解液流中；所述特征可附接(例如)至將電解液輸送至半電池中的管道裝置的內(nèi)表面。在商業(yè)液流電池組操作中，抽送系統(tǒng)所消耗的功率為最佳化電池組系統(tǒng)的整體生產(chǎn)率的重要因素。盡管較高的流體抽送速率誘導(dǎo)電池中較高混合程度，但較高的流體抽送速率還需要更多抽送功率，所述更多抽送功率最終減損電池組系統(tǒng)所輸送的功率和能量。較高抽送速率還引起較高磨損，因此引起較頻繁的預(yù)防性維護。在電池組設(shè)計中，可權(quán)衡考慮泵功率、混合和湍動。在電池內(nèi)部與外部并流經(jīng)管往返于電池的層流大體降低抽送功率要求。當(dāng)以用于在電池的流動通道中混合電解液的湍動操作時，可(例如)通過允許較低速度區(qū)域來使湍動驟減，在所述較低速度區(qū)域中，(例如)使用諸如圖示于圖14中的結(jié)構(gòu)來減小流速并恢復(fù)層流。確保電池的任何有意湍流區(qū)域外部的液流為層流或?qū)嵸|(zhì)上層流減小了泵功率消耗。圖14圖示經(jīng)修改的管在半電池的出口處的橫截面，所述管經(jīng)設(shè)計以在電解液移動穿過管道裝置其余部分時使湍流平靜并提供層流。湍動流動的電解液自半電池流動至管的第一段1410中。電解液隨后進入管的第二段1420，在管的第二段1420中，管的橫截面增加。隨著管1420橫截面增加，電解液的速度減小，并且湍流平靜，從而產(chǎn)生層流。層流流動的電解液隨后進入管的第三區(qū)段1430，在管的第三區(qū)段1430中，管的橫截面減小，以便將平靜后的電解液通過漏斗送至管道裝置1440中，管道裝置1440延續(xù)電解液管路。電解液流動的方向通過箭頭來指示?？墒沽鹘?jīng)電池流動通道的電解液流反向以改善混合、沉積的均勻性并避免耗盡沉積表面處的電解液。支架可用以支撐流動通道中的網(wǎng)孔(或篩網(wǎng))混合元件，以避免所述網(wǎng)孔接觸膜或電極并大體避免網(wǎng)孔由于高流動速率、湍動或溫度變化而彎曲或屈曲。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知道湍動的許多定義和度量。在這種情境中的湍動大體意味著流速的變化(速度為矢量，并且變化包括速度的變化與流動方向的變化兩者)，所述流速的變化包括引起電解液流的混合，以避免在沉積(充電)期間耗盡或在放電期間移除沉積表面處或接近于沉積表面處的經(jīng)沉積離子。在充電期間電池的沉積表面上實質(zhì)上均勻沉積的定義意味著在充電期間沉積時未形成或較少形成枝狀晶體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認識到，沉積表面上和電池上(可能小于20％)沉積厚度的一些變化是固有的，尤其在以高電流密度和以電解液中高濃度的離子操作時。高速率的混合大體意味著層流或湍流中的混合，以避免或最小化尤其在沉積表面處或接近于沉積表面處的電鍍離子耗盡。可如下實現(xiàn)用于各種實施例的高速率混合：(1)用通道和偏離沉積表面的混合裝置；(2)用通道和沉積表面上的混合裝置；(3)用通道和沉積表面上的混合裝置與偏離沉積表面的混合裝置兩者；或(4)用通道、混合裝置和較高的電解液速度。第一，在混合元件或裝置位于距電極沉積表面的距離為擴散邊界層厚度的至少近似兩倍處，并且混合元件或裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，理想地自近似25％至60％時，可實現(xiàn)高速率的混合；或在混合裝置位于距電極沉積表面的距離為至少近似125微米處，并且混合裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，優(yōu)選為近似25％至60％時，可實現(xiàn)高速率的混合；或在混合元件或裝置位于距電極沉積表面的距離為擴散邊界層厚度的至少近似兩倍處，并且混合元件或裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，優(yōu)選為近似25％至60％，其中混合裝置在電池通道寬度上和沿著電池通道長度具有重復(fù)特征(或近似重復(fù)特征)時，可實現(xiàn)高速率的混合；或在混合元件或裝置位于距電極沉積表面的距離為擴散邊界層厚度的至少近似兩倍處，并且混合元件或裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，優(yōu)選為近似25％至60％，其中混合裝置在電池通道寬度上和沿著電池通道長度具有重復(fù)特征(或近似重復(fù)特征)，并且沿著電池通道長度的重復(fù)特征的間距為通道寬度上的重復(fù)特征的間距的至少近似1.1倍時，可實現(xiàn)高速率的混合。第二，在一或更多個混合元件或裝置附接至電極沉積表面，并且混合裝置前邊緣重復(fù)距離的比率為距電極沉積表面的混合裝置高度的至少近似五倍，并且混合裝置的形狀可選自包含以下的群組：線、網(wǎng)孔、篩網(wǎng)、半球形、圓形、半圓形或矩形形狀或其它形狀或上述的組合時，可實現(xiàn)高速率的混合。第三，在一或更多個混合元件或裝置附接至電極沉積表面，結(jié)合上位于距電極沉積表面的距離為擴散邊界層厚度的至少近似兩倍處的第二混合裝置，并且第二混合裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，優(yōu)選為近似25％至60％時，可實現(xiàn)良好速率的混合。第四，在混合元件或裝置位于距電極沉積表面的距離為擴散邊界層厚度的至少近似兩倍處，并且混合元件或裝置的橫截面面積為電池通道橫截面面積的近似10％至80％，優(yōu)選為近似25％至60％，并且電解液流體速度為至少近似5cm/s，優(yōu)選為至少近似25cm/s，并更優(yōu)選為至少近似50cm/s時，可實現(xiàn)高速率的混合。在一些應(yīng)用中，液流電池組(諸如，本發(fā)明的一些實施例)可用于頻率調(diào)節(jié)。此外，本發(fā)明的一些實施例可用于其它較短持續(xù)時間功率需要(諸如，UPS(不可中斷電力系統(tǒng)))或較短響應(yīng)功率備用。對于較短持續(xù)時間功率需要，本發(fā)明的液流電池組的一些實施例可在較高的充電電流密度和放電電流密度(諸如，大于大致200mA/cm2)下操作。在其它實施例中，液流電池組可包括以下中的一或更多者：流動通道的雷諾數(shù)近似大于1300；流動通道的舍伍德數(shù)近似大于21；均勻的高電流密度>100mA/cm2；在流動通道中存在至少一個混合元件；在流動通道中存在至少一個湍動誘導(dǎo)元件；傳質(zhì)系數(shù)近似大于7.7×10-4m/s；和充電周期為至少5分鐘的持續(xù)時間或為至少一個小時的持續(xù)時間。在一些實施例中，高性能液流電池組可包含電池堆疊，所述電池堆疊在>100mA/cm2的充電周期期間在電池堆疊中的電池區(qū)域中具有可維持的操作電流密度。在一些實施例中，高性能的基于鋅的液流電池組可包含以大于每小時0.1mm的速率將鋅沉積于電池組的電池中的沉積表面上，并且在其它實施例中，沉積速率大于每小時0.2mm。此外，在一些實施例中，給高性能ZnFe液流電池組充電的方法可包含：以大于每小時0.1mm的速率使鋅生長于或?qū)\沉積于電池組中電池的沉積表面上，并且在其它實施例中，生長或沉積速率大于每小時0.2mm或大于每小時0.4mm。在另一實施例中，高性能氧化還原液流電池組包含至少一個電池，所述至少一個電池包含至少一個正的半電池中的低電阻正極和至少一個負的半電池中的低電阻負極，其中低電阻正極的電阻和低電阻負極的電阻足夠小，以獲得至少一個電池的沉積表面的區(qū)域上的均勻高電流密度，在接近沉積表面的沉積區(qū)域中以高速率混合流經(jīng)至少一個半電池的流動通道的電解液流，其中電解液具有足夠高的活性離子物種濃度，以在沉積表面上獲得維持在充電周期期間通過沉積表面的均勻高電流密度的沉積速率，接近沉積表面的液流的傳質(zhì)系數(shù)至少足以維持接近沉積表面的足夠電解液濃度，以獲得沉積表面的區(qū)域中的實質(zhì)上均勻沉積。在另一實施例中，給高性能液流電池組充電的方法包含：在比液流電池組的電壓更高的電壓下將足夠的電能供應(yīng)輸送至液流電池組；在低電阻正極和低電阻負極上提供均勻高電流密度，所述高電流密度穿過液流電池組的至少一個半電池的沉積表面的區(qū)域；產(chǎn)生流經(jīng)至少一個半電池的流動通道的電解液流，所述電解液流在接近沉積表面的沉積區(qū)域中以高速率混合，其中電解液具有足夠高的活性離子物種濃度，以在沉積表面上獲得維持在充電期間通過沉積表面的均勻高電流密度的沉積速率；維持接近沉積表面的液流的傳質(zhì)系數(shù)足夠大，以維持接近沉積表面的足夠的電解液濃度，從而獲得沉積表面的區(qū)域中的實質(zhì)上均勻沉積。液流可為層流或湍流。高速率的混合處于足以維持傳質(zhì)系數(shù)大于7.7×10-4cm/s的范圍內(nèi)。此外，本發(fā)明包括最佳化高性能氧化還原液流電池組的方法，所述方法包含：設(shè)計液流電池組的流動速率和流動通道，所述流動速率和流動通道經(jīng)最佳化以確保滿足以下參數(shù)中的一或更多者：在最佳流體速度下，沉積表面上有均勻傳質(zhì)速率；局部電流密度近似小于2/3xiL，但足夠高以防止苔蘚狀沉積(換句話說，適合于提供密集、附著的非枝狀形態(tài)的局部電流密度)；和沿著流動通道(在Zn側(cè)上)的濃度耗盡為入口濃度的近似<10％。實驗證實：(1)鋅在4NNaOH中的溶解度為0.73M和(2)在40℃，旋轉(zhuǎn)速度120rpm下，這一溶液的極限電流密度(在旋轉(zhuǎn)圓盤電極處)為121mA/cm2。超飽和鋅電解液，即4NNaOH中的0.73MZn++制備如下。步驟1：通過將8.139gZnO(m.w81.39g/mol)與30gmNaOH球粒(m.w.40g/mol)組合并用D.I水在恒定攪拌下配制至100ml，來制備原液(5.5NNaOH中1MZn++)。所得溶液為1MZn+++5.5NNaOH。步驟2：通過取用100ml(5.5NNaOH中1MZn++)原液并用D.I水將所述原液配制至137.5ml，來將(1MZn++/5.5NNaOH)稀釋至4NNaOH溶液，所得溶液為4NNaOH中的0.73MZn++。(應(yīng)注意，所報告的4NNaOH中Zn++溶解度極限為0.37M。)應(yīng)注意，發(fā)現(xiàn)NaOH濃度處于2N-4N范圍內(nèi)的電解液提供令人滿意的鋅酸鹽離子濃度、可接受的亞鐵離子濃度組合和可接受的溶液腐蝕性，而高于4N的NaOH濃度導(dǎo)致亞鐵離子濃度迅速減少以及產(chǎn)生更具腐蝕性的電解液。實驗證實，4NNaOH中0.73MZn++和2.2NNaOH中0.4MZn++穩(wěn)定達至少四周。盡管已參照本發(fā)明的某些實施例特定描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)容易地更加明白，可在不脫離本發(fā)明的精神和范疇的情況下進行形式和細節(jié)的改變和修改。當(dāng)前第1頁1 2 3