水溶剂化玻璃/非晶态固体离子导体制造技术

技术编号:17396597 阅读:22 留言:0更新日期:2018-03-04 22:26
本公开内容提供水溶剂化玻璃/非晶态固体(其为离子导体‑电子绝缘体)和电介质以及使用该材料的电化学装置和方法,所述电化学装置和方法例如为电池组(包括可再充电电池组、燃料电池)、电容器、电解槽、和电子装置。所述电化学装置和产品使用离子导电和电子导电以及内部电偶极子的组合。

Water solvated glass / amorphous solid ionic conductors

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水溶剂化玻璃/非晶态固体离子导体
本公开内容提供经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体,其为碱离子导体和具有大介电常数的电子绝缘体。本公开内容还提供了使用这种材料的电化学装置和方法,例如电池组(包括可再充电电池组、燃料电池)、电容器、由水电解生成的化学品(包括氢气(H2))、以及电子装置。电化学装置和产品使用离子导电和电子导电两者的组合。本公开内容还提供水溶剂化玻璃/非晶态固体,其为质子(H+)导体和电子绝缘体。
技术介绍
离子导体(同时也是电子绝缘体)被称为电解质;它们可以是液体或固体。电解质被用于各种电化学装置中,所述各种电化学装置不仅包括将电力作为化学能量储存在可再充电电池组中的那些电化学装置或者在燃料电池中作为电力释放化学能的那些电化学装置,而且还包括将电力作为静电电能储存在电双层电容器中的那些电化学装置。从电能储库(无论是从化学储库还是从静电储库)释放的电力是清洁能源。储存在燃料中并作为燃烧热释放的化学能是一种低效过程,并且燃烧还伴随有污染空气并加剧全球变暖的气体释放。电化学电池包含两个电极(即阳极和阴极)之间的电解质。液体电解质需要使用可透过液体电解质的两个电极的分隔;所述分隔防止电池内两个电极之间发生电子接触。固体电解质可以兼作电解质和分隔两者。在可再充电电池组中,阳极是还原剂;在燃料电池中,阳极催化还原剂燃料分离成其电子组分和离子组分的分离过程。在两种类型的电池中,将两个电极之间的化学反应的离子组分传输至电池内电解质中的阴极,但电解质迫使电子组分经由外部电路作为电压V下的电子电流I运动至阴极,以提供用于做功的电力P=IV。由于电解质中的离子电导率远小于良好金属中的电子电导率,所以利用大面积电极和薄电解质来制造电池组电池和燃料电池;制造活性电极材料以与金属集流体发生电子接触,用于在活性电极颗粒和外部电路之间快速传输电子,以及与电解质发生离子接触,以在电池内部的电极之间传输离子。具有大介电常数的固体电解质也可以在电子装置中用作液体或气体反应物以及固体反应物的分隔。与大多数已知的固体相比,液体在室温下通常为优良得多的离子导体,这是为什么通常使用液体作为室温装置的电解质的原因。然而,在一些应用中,可能特别优选固体电解质。例如,锂离子可再充电电池组使用可燃有机液体作为电解质,并且固体电解质将会更安全,而且能够在不牺牲充电和放电速率的情况下提高所储存的能量密度。此外,如果固体电解质还含有为其提供高介电常数的电偶极子,则其相比液体可以在金属/电解质界面的电双层的电容中储存多得多的电能。在电双层电容器中,金属电极制造为提供最大的电极/电解质界面。在充电时,电解质中的离子将穿过电双层的电极中带相反电荷的电子或电子空穴固定住。穿过双层的电子和空穴的间隔小(原子尺度),因此电容大。在放电时,在阳极处固定的电子穿过外部电路以与阴极中固定的电子空穴复合,并且电解质内部的可移动离子回到平衡位置。如果电解质具有大的介电常数ε′r,则电双层的电容提高。利用具有大介电常数的固体电解质,电容大幅提高,因此使得可以构建如下电池:在所述电池中,所储存的电能具有与电池组中一样的法拉第(Faradaic)组分和与电双层电容器中一样的电容组分。
技术实现思路
本公开内容包括经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体电解质,其在室温下几乎与可燃有机液体一样快速地传导Li+或Na+或两者,并且还具有大的介电常数。而且,可以将碱金属镀覆其上和将碱金属从其剥离而不形成枝晶,从而避免了安全问题和充电/放电循环寿命受限。传导Li+的经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体在本文中可以被称为“锂玻璃(Li-glass)”。传导Na+的经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体在本文中可以被称为“钠玻璃(Na-glass)”。本公开内容包括传导H+的水溶剂化玻璃/非晶态固体电解质,其在本文中可以被称为“质子电解质”。附图说明通过参考结合与本公开内容实施方案相关的附图进行的以下描述,可以更为完整地理解本专利技术实施方案及其优点。图1是比较具有盐、LiPF6的聚合物凝胶的锂离子(Li+)电导率(σLi)-温度阿伦尼乌斯(Arrhenius)曲线和由前体氢氧化锂、LiOH、氯化物、LiCl和溶剂化水(H2O)形成的锂玻璃的锂离子(Li+)电导率-温度阿伦尼乌斯(Arrhenius)曲线;测量前对固体进行干燥。还显示了AgI的电导率。图2是显示钠玻璃的Na+电导率σNa的温度依赖性(实心圆)和在25℃下的时间依赖性(空心圆)的曲线图。图3是显示在频率f=1000Hz的交流电场中测量的锂玻璃的相对介电常数(ε=ε’+iε”)的温度依赖性,所述锂玻璃得自名为Li2.9Ba0.005ClO的前体组合物。ε’是介电常数。图4A是阿伦尼乌斯(Arrhenius)曲线,其显示通过将水溶剂化于BaKPO4中获得的质子电解质固体的质子(H+)电导率(σH)的温度依赖性。图4B是显示在25℃下获得的质子电解质的σH的频率依赖性的代表性奈奎斯特(Nyquist)曲线的曲线图;阻抗为Z=Z’+iZ”。图5是显示由夹在两块铝板之间的厚锂玻璃电解质形成的电容器的充电/放电循环的曲线图。图6是交流或直流电场中电偶极子随时间、压力和/或温度排序的示意图。图7是显示全锂电池的充电/放电曲线的曲线图,其显示给金属锂阳极镀覆锂玻璃电解质或从金属锂阳极剥离锂玻璃电解质。图8是显示全钠电池的充电/放电电压的曲线图,其显示给金属钠阳极镀覆钠玻璃电解质或从金属钠阳极剥离钠玻璃电解质。具体实施方式本公开内容涉及水溶剂化玻璃/非晶态固体,其传导单价阳离子(例如Li+、Na+或H+及其混合物),并且是电子绝缘体。如果水溶剂化玻璃/非晶态固体传导Li+、Na+或其混合物,则将其干燥;不干燥H+导体。锂玻璃和钠玻璃是Li+、Na+或其混合物的优良导体,并且由于存在电偶极子而具有高介电常数。它们还具有足够大的电子态能隙,因此不仅是优良的电子绝缘体,而且还允许在包含作为电解质或分隔的经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体分隔的碱金属可再充电电池组中镀覆碱金属阳极和使用高压阴极;还可以利用锂玻璃或钠玻璃作为电解质制成高电存储容量的电化学电容器。它们被碱金属润湿,以允许对碱金属阳极进行镀覆和剥离而不形成枝晶,并且它们能够在玻璃/金属界面处以高压存储静电能。可以将材料形成为膏状,以便利地施用至大的表面区域。它们可以用作电池组、燃料电池或电解槽的电解质和/或分隔和/或用作电子装置的电容器中的材料。本公开内容还包括由组成前体形成水溶剂化/非晶态固体电解质的方法,所述组成前体包含至少一种碱金属原子、氧和/或至少一种卤化物原子以及水(H2O),所述至少一种碱金属原子特别为锂(Li)和/或钠(Na),所述至少一种卤化物原子特别为氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)或其混合物,所述水(H2O)的添加量为小于或等于玻璃/非晶态产品的溶剂化极限。例如,玻璃/非晶态产品的组成前体可以包括A3-xHxOX、AX+A2O或2AOH+AX(H2O),其中x≤1,A是碱金属,例如Li和/或钠Na或其混合物,X是卤化物原子。组成前体还可以包含玻璃成型的氧化物或氢氧化物促进剂,例如Ba(OH)2、Sr(OH)2、BaO、SrO、CaO、MgO、Al2O3、B2O3或SiO2,以及其中本文档来自技高网
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水溶剂化玻璃/非晶态固体离子导体

【技术保护点】
一种形成经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体的方法,所述方法包括:通过以小于或等于玻璃/非晶态固体的水溶剂化极限的量添加水,将结晶钠离子(Na

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.18 US 62/181,606;2015.07.08 US 62/189,8651.一种形成经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体的方法,所述方法包括:通过以小于或等于玻璃/非晶态固体的水溶剂化极限的量添加水,将结晶钠离子(Na+)或锂离子(Li+)电子绝缘体或其组成前体转化成水溶剂化玻璃/非晶态Na+或Li+离子导电固体,所述结晶钠离子(Na+)或锂离子(Li+)电子绝缘体或其组成前体包含与氧(O)、氢氧化物(OH)和/或至少一种卤化物键合的至少一种Na+或Li+。2.根据权利要求1所述的方法,其还包括添加玻璃成型氧化物、硫化物或氢氧化物并加热以排出挥发性成分。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法,其中所述结晶,电子绝缘体,或其组成前体包括通式为A3-xHxOX的材料,其中0≤x≤1,A为所述至少一种碱金属,并且X为至少一种卤化物。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中所述结晶电子绝缘体或其组成前体包括玻璃成型添加剂,所述玻璃成型添加剂包括氧化物、氢氧化物和/或硫化物中的至少一种。5.根据权利要求4所述的方法,其中所述玻璃成型添加剂包括Ba(OH)2、Sr(OH)2、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Al(OH)3、或BaO、SrO、CaO、MgO、Al、B2O3、Al2O3、SiO2、S和/或Li2S中的至少一种。6.根据权利要求4所述的方法,其中所述添加剂包括氧化物、氢氧化物和/或硫化物中的至少两种。7.根据权利要求5所述的方法,其中所述添加剂包括Ba(OH)2、Sr(OH)2、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Al(OH)3、或BaO、SrO、CaO、MgO、Al、B2O3、Al2O3、SiO2、S和/或Li2S中的至少两种。8.根据权利要求4-7中任一项所述的方法,其中所述干燥水溶剂化玻璃/非晶固体包含小于2摩尔%的所述玻璃成型添加剂。9.根据权利要求4-8中任一项所述的方法,其中所述添加剂调节所述水溶剂化玻璃/非晶态固体的玻璃化转变温度Tg。10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法,其中所述至少一种卤化物包括氯(Cl)、溴(Br)和/或碘(I)。11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法,其中所述至少一种卤化物中的至少一部分作为卤化氢气体离开所述水溶剂化玻璃/非晶态固体。12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法,其中所述氢氧化物反应形成H2O,所述H2O作为气态H2O离开所述水溶剂化玻璃/非晶态固体。13.一种形成H+导电水溶剂化电解质的方法,所述方法包括:通过添加水使结晶材料转化成玻璃/非晶态固体,所述结晶材料包含与至少一种酸性聚阴离子键合的至少一种碱金属和/或碱土金属阳离子,所述水的添加量小于或等于水在结晶材料中的溶剂化极限,使得水解离成与阳离子配合以形成聚阴离子的氢氧根(OH-)阴离子,并且所述水还解离成在酸性氧化物和所述聚阴离子的结构中可移动的质子(H+)。14.根据权利要求13所述的方法,其中所述酸性聚阴离子包括(SO4)2-和/或(PO4)3-。15.一种形成水溶剂化玻璃/非晶态固体的方法,所述方法包括:通过以小于或等于结晶电子绝缘体的水溶剂化极限的量添加水,使包含至少一种酸性聚阴离子和至少一种阳离子的结晶电子绝缘体转化成水溶剂化玻璃/非晶态质子(H+)导电固体。16.根据权利要求15所述的方法,其中以至少一种稳定的氢氧根聚阴离子的形式来稳定所述至少一种阳离子。17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法,其中所述至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员:约翰·B·古迪纳夫玛丽亚·海伦娜·苏萨·索尔斯·德·奥利维拉·布拉加约瑟·乔治·多·阿马拉尔·费雷拉普利腾·辛格
申请(专利权)人:德克萨斯大学系统董事会波尔图大学LNEG国家能源和地质学实验室
类型:发明
国别省市:美国,US

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