用于可充电铁基电池的高效率铁电极以及添加剂制造技术

本申请涉及用于可充电铁基电池的高效率铁电极以及添加剂。披露了一种铁电极以及一种用于制造在铁基可充电电池中使用的铁电极的方法。在一个实施例中，该铁电极包括羰基铁粉和金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中之一用于在铁基可充电电池的充电过程中在铁电极抑制析氢，该金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中的金属选自由铋、铅、汞、铟、镓以及锡组成的金属组中。还披露了一种含有包含羰基铁的铁电极的铁‑空气可充电电池，以及一种铁‑空气电池其中铁电极以及电解质中的至少一个包括有机硫添加剂。

【技术实现步骤摘要】
用于可充电铁基电池的高效率铁电极以及添加剂本申请是申请号为201280028833.8，申请日为2012年6月15日，专利技术名称为“高效率铁电极以及在可充电铁基电池中使用的添加剂”的申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2011年6月15日提交的美国临时申请号61/497,454的权益，其披露内容以其全文通过引用结合在此。关于联邦资助研究或开发的声明本专利技术是在来自美国能源部的ARPA-E资助项目DE-AR0000136下得到政府的支持。政府拥有本专利技术的某些权利。
在此的实施例涉及高效率铁电极以及用于可充电铁-空气或其他铁基电池(如用于大型基于电池的能量存储)的添加剂。专利技术背景大型电能存储系统需要适应来自太阳能和风能的能源供应的内在变化。这种能量存储系统将在电力生产期存储多余的能量，并在电力需求期释放能量。可行的能量存储系统必须满足以下要求：(i)<$100/kWh的低安装成本，(ii)超过5000个周期的长使用寿命，(iii)超过80％的高循环能源效率，以及(iv)兆瓦-小时水平系统的易扩展性。因为可充电电池的高循环效率和可扩展性，它们特别适合于这种大型电能存储。其中在研究中的可充电电池的类型是钒氧化还原、钠-硫、锌-溴、锌-空气以及锂离子电池。在解决前述类型电池的耐用性、成本和大型实施的挑战中，将铁基碱性电池用于大型能量存储的有益功能已被大大地忽略。当铁基电池在很大程度上被密封铅-酸电池所取代，直到20世纪80年代在美国和欧洲镍-铁电池已经被用于各种固定和移动应用超过70年。因为它们的高比能量，铁-空气电池在20世纪70年代“石油危机”后经历了用于电动汽车和军事应用的积极发展，但这方面的主要研究在1984年以后突然终止并且自那时以来除少数例外铁电极并没有受到显著的关注。然而，尽管在常见应用中不太显眼，铁基碱性电池(如铁-空气以及镍-铁电池)具有使它们非常有吸引力并且非常适合满足电网规模电能存储系统的新需求的独特特点。在碱性电池中的铁电极的电化学涉及包括氢氧化铁(II)和元素铁的氧化还原过程：正反应在电极的充电过程中发生而逆反应在放电过程中发生。铁(铁基电池系统的主要原料)是全球范围内丰富、相对廉价、易于回收并且环保的。此外，众所周知铁电极在充电和放电的重复循环时是耐用的。超过3000次充电和放电循环的稳定性能已在镍-铁电池中被证明。这种耐用性相对于在1000次循环内老化的大多数可充电电池电极是非凡的。铁电极的耐用性是由于铁的氢氧化物在碱性介质中的低溶解度。铁电极的主要局限性是它在55％至70％的范围内的低充电效率。这种局限性来自于在根据下面的反应充电过程中所发生的浪费的析氢：析氢反应发生的原因是此反应的电极电位对于铁电极反应(等式1)是阳性的。因此，电池必须过量充电60％至100％来达到满容量。充电过程中发生的析氢是不希望的，因为它降低了循环能量效率并导致电解质中水的损失。因此，抑制铁电极的析氢具有提高整体能量效率、降低成本，并提高铁基电池在大型能量存储系统中易于实施的深远益处。然而，抑制析氢并实现充电效率接近100％的铁电极，而不干扰电极的其他性能特性已经成为很多年来的严峻挑战。市售铁电池的另一个限制是它们无法以高速率进行放电；当在不到五小时内放电(也称为五小时速率)时，实现的容量很小。电网规模的电能存储要求电池能够在一至两小时内充电和放电。如果由非导电氢氧化铁(II)(放电产物)的钝化可以得到减轻(等式1)，铁电极的放电速率容量可以改善。Shukla等人已经证明各种添加剂对减轻钝化的有益作用(KVijayamohanan等人，J.Electroanal.Chem.(电化学杂志)，289，55(1990)；TSBalasubramanian，J.Appl.Electrochem.(应用电化学)，23，947(1993))。然而，同时实现高速率容量和高效率仍然是一个挑战。专利技术概述在一个实施例中，披露了一种用于铁基可充电电池的铁电极，该电极包括羰基铁粉和金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂之一用于在铁基可充电电池的充电过程中在铁电极抑制析氢，该金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中的金属选自由铋、铅、汞、铟、镓以及锡组成的金属组中。该金属硫化物添加剂可包括硫化铋。该铁电极可包括约50-99w/w％的羰基铁、约5-30w/w％的聚合物粘合剂，以及约1-10w/w％的硫化铋。该铁电极可进一步包括一种有机硫添加剂。该有机硫添加剂可以是一种烷硫醇。该烷硫醇具有的链长度可在n＝6至n＝8的范围内。该有机硫添加剂可以是选自由直链和环状硫醇、二硫醇、以及硫醚组成的组。该有机硫添加剂可以是选自由3,6-二氧杂-1,8-辛二硫醇、对-二噻烷、1,2-乙二硫醇、二甲硫基甲烷、1-辛硫醇、丙硫醇钠、以及己硫醇组成的组中。在另一个实施例中，披露了一种铁-空气可充电电池，该电池包括一个含有羰基铁的铁电极、一个与该铁电极间隔开的空气电极，以及一种与该铁电极和该空气电极相接触的电解质。该铁电极可包括金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂之一，该金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中的金属可选自由铋、铅、汞、铟、镓以及锡组成的金属组。该金属硫化物添加剂可包括硫化铋。该铁电极可包括约50-99w/w％的羰基铁、约5-30w/w％的聚合物粘合剂，以及约1-10w/w％的硫化铋。该铁电极与该电解质中的至少一个可包括一种有机硫添加剂。该有机硫添加剂可以是一种烷硫醇。该烷硫醇具有的链长度可在n＝6至n＝8的范围内。该有机硫添加剂可以是选自由直链和环状硫醇、二硫醇、以及硫醚组成的组。该有机硫添加剂可以是选自由3,6-二氧杂-1,8-辛二硫醇、对-二噻烷、1,2-乙二硫醇、二甲硫基甲烷、1-辛硫醇、丙硫醇钠、以及己硫醇组成的组。在另一个实施例中，披露了一种铁-空气可充电电池，该电池包括一个铁电极、一个与该铁电极间隔开的空气电极，以及一种与该铁电极和该空气电极相接触的电解质，其中该铁电极和电解质中的至少一个包含有机硫添加剂。该有机硫添加剂可以是一种烷硫醇。该烷硫醇具有的链长度可在n＝6至n＝8的范围内。该有机硫添加剂可以是选自由直链和环状硫醇、二硫醇、以及硫醚组成的组。该有机硫添加剂可以是选自由3,6-二氧杂-1,8-辛二硫醇、对-二噻烷、1,2-乙二硫醇、二甲硫基甲烷、1-辛硫醇、丙硫醇钠、以及己硫醇组成的组。该铁电极可包含羰基铁。该铁电极可包括金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中之一，该金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中的金属可选自由铋、铅、汞、铟、镓以及锡组成的金属组。该金属硫化物添加剂可包括硫化铋。在另一个实施例中，披露了一种用于制造在铁基可充电电池中使用的铁电极的方法，该方法包括将羰基铁粉与一种聚合物粘合剂结合以产生一种混合物，使用该混合物涂覆一个金属网，并将该网加热且加压以形成一个压片铁电极。该方法可进一步包括在该混合物中结合一种金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中之一，该金属硫化物添加剂或金属氧化物添加剂中的金属可选自由铋、铅、汞、铟、镓以及锡组成的金属组。该金属硫化物添加剂可包括硫化铋。该方法可进一步包括将该制成的电极充电以及放电若干次以允许放电容量增加至一个稳定的值并且该电极达到一个更低的析氢速率。附图简要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍‑铁可充电电池，包括：a.铁电极，所述铁电极包括羰基铁、聚合物粘合剂和硫化铋，其中硫化铋以所述铁电极的重量的5至10w/w％的量存在；b.镍电极，所述镍电极与所述铁电极间隔开；以及c.碱性电解质，所述碱性电解质与所述铁电极和所述镍电极相接触。

【技术特征摘要】
2011.06.15 US 61/497,4541.一种镍-铁可充电电池，包括：a.铁电极，所述铁电极包括羰基铁、聚合物粘合剂和硫化铋，其中硫化铋以所述铁电极的重量的5至10w/w％的量存在；b.镍电极，所述镍电极与所述铁电极间隔开；以及c.碱性电解质，所述碱性电解质与所述铁电极和所述镍电极相接触。2.如权利要求1所述的镍-铁可充电电池，其中在循环所述电池期间所述铁电极包括铋和硫化铁。3.如权利要求1所述的镍-铁可充电电池，其中所述聚合物粘合剂以所述铁电极的重量的5至30w/w％的量存在。4.如权利要求1所述的镍-铁可充电电池，其中所述铁电极是多孔的。5.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯里·R·纳拉扬，G·K·S·普拉卡什，R·阿尼兹费尔德，安思文·马诺哈尔，苏拉迪普·马尔科罕迪，杨波，
申请(专利权)人：南加利福尼亚大学，
类型：发明
国别省市：美国,US