具有有机电极的高离子导电性可充电固态电池制造技术

一种改进的可充电电池可以使用完全固态的材料。该电池可以使用至少一种有机活性材料用于电极。该电池可以使用包含醌的阴极。电池的电解质可以是离子导电性无机化合物。该电池的阳极可包含碱金属。此外，阴极的醌的羰基可以在放电期间还原成酚根离子并与碱金属离子配位，在充电期间发生反向的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有有机电极的高离子导电性可充电固态电池相关申请本申请要求2016年3月11日提交的美国临时专利申请第62/307,079号的优先权，通过引用将该申请全文纳入本文。专利
本专利技术涉及具有高离子导电性的可充电固态电池，该可充电固态电池包含有机电极。专利技术背景锂离子电池在大规模商业应用和制造，这将降低成本并促进车辆和固定应用中的能量存储的增长。然而，目前制造的锂离子技术具有性能上的缺陷，不断的进步无法解决以下问题：(1)能量密度受到通过嵌入机制实际能够存储的电荷量的限制，(2)热活化降解机制将运行温度的上限限制到50℃并需要冷却系统，以及(3)使用有机碳酸盐电解质导致电池具有固有的易燃性问题。通过用Li金属替换负极，并且用固体离子导体代替隔膜中的液体电解质和多孔正极来形成可充电固态电池，有希望克服这些缺陷。可充电固态电池开辟了成本上有竞争力的电池，而热稳定性和安全性的改进将通过减少封装和控制以及创造设计灵活性而在系统级别上具有显著优势。目前在美国，大约4％的新型轻型车辆包含部分或完全的电气化动力系统。普遍认为，电池的进一步改进是更广泛使用的关键障碍。电气化动力系统增加10％将使美国的石油消耗减少3％，使美国的总能源消耗减少1％，并且使美国的二氧化碳排放总量减少1％，同时减少NOx和其他燃烧产物的排放。除了对车辆的影响之外，具有能量密集性、热稳定性并且不易燃的电池技术也是电网存储所关注的，特别是在密集的城市环境中尤为如此。与常规用于商用锂离子电池的无机材料相比，具有氧化还原活性的有机插入材料(OIM)由天然丰富的元素(C，H，N，O，S)组成，它们的氧化还原电位和比容量可以通过分子结构设计进行调整，提供几乎无限的选择。OIM是晶体有机分子，具有公知的氧化还原活性官能团，其通过插入反应可逆地储存/释放金属阳离子。一些结构简单且低成本的OIM(例如苯醌和衍生物)具有相对于Li的2.5-3.0V的氧化还原电位和350-600mAh/g的比容量。已经有数个研究小组提出将这些OIM作为锂离子电池的阴极材料，但它们在传统的液体电解质电池中显示出多硫化物样溶解诱导的容量衰减。可以通过简单OIM的聚合和官能化来减轻这种容量衰减，但是这两种方法导致合成复杂(因此增加了成本)以及比容量降低(由于分子量增加)。有一些利用有机活性材料电极的电池的实例，但是它们使用的是液体电解质。此外，存在使用有机电极活性材料和复合聚合物电解质的电池的实例，但是这些复合聚合物的离子导电性很差。大多数现有的可充电固态电池使用无机阴极活性材料如氧化物和硫化物制成，但同时获得高能量密度和结构可逆性仍然有难度。因此，希望提供一种使用OIM和固态电解质的完全固态电池，其具有高离子导电性以获得更好的性能。由于电池中不存在液体，因此在OIMS的充放电循环过程中存在无溶解的特性，因而可以改善循环稳定性。
技术实现思路
在一个实施方式中，电池可以是可充电的。此外，该电池的所有组件可以包含固态材料，或者该电池可以是全固态电池。在一些实施方式中，所述电池可以基于一类新的可持续有机活性材料，该材料包含羰基，并且无毒、无害且完全可生物再生，而且具有高容量(例如>400mAhg-1)。在一些实施方式中，所述电池可以提供基于醌的阴极，其解决了目前由以下体系引起的问题：高温、腐蚀性、反应性和危险的液体阳极电解质和阴极电解质体系(例如Na-S电池)；易燃有机液体电池(如钠离子体系)；低能量密度的具有腐蚀性且危险的液体设计(例如V型流动体系)。在一些实施方式中，当电池充电时，电池可以提供包含醌化合物的阴极。在一些实施方式中，电池可以提供包含至少一种离子导电性无机化合物的电解质。在一些实施方式中，离子导电性无机化合物的通式可以为AxByCz，其中A选自Li、Na或其组合，B选自P、As、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、In、Tl、Ca、Ba、Ti、Cu、Ag、Zn、La、Ce、V、Ta或其组合，C选自O、N、S、Se、Sn或其组合，x/z＝0.5-1.0，且y/z＝0.2-0.6。在一些实施方式中，电池可以提供包含Li、Na或含有Li或Na的合金的金属阳极。该新电池是基于良好且可放大的固体堆叠设计，其可在室温附近和/或高能量密度下可逆地运行。此外，所有使用的材料均可来自可再生和可回收材料，并且电池设计可以进行优化以便回收利用。前述内容相当宽泛地描述了本
技术实现思路
的各种特征，使得能够更好地理解以下的详细说明。下面将描述本公开的其它特征和优点。附图简要说明为了更完全地理解本公开及其优点,结合附图参照以下说明来描述本公开的具体实施方式，其中：图1比较了固态电池中使用的醌和电解质/电极材料的机械性质；图2是全固态电池的非限制性实例的示意图；图3a-3c显示可用作固态电池的阴极活性材料的醌的结构，包括(a)包含1,2-苯醌和1,4-苯醌亚结构的醌的一般结构；(b)醌的官能化实例；(c)具体的醌的例子；图4a-4b显示(a)醌的可逆电化学还原机理和(b)还原形式的醌的一般结构；图5显示直接连接到醌核上的-OM基团(M＝Li和Na)可被氧化成羰基并释放M+离子的实例；图6a-6b显示用Li+传导性固态电解质测量的Li2Na2C6O6的(a)电压分布和(b)循环性能；和图7a-7b显示了用Na+传导性固态电解质测量的Na2C6O6C的(a)电压分布和(b)循环性能。具体实施方式现在参考附图，其中所描绘的元件不一定按比例示出，并且在几个视图中相同或相似的元件用相同的附图标记表示。总体参考附图，应该理解，这些图示是为了描述本公开的具体实施方式，而不是将本公开限制于此。尽管本文中使用的多数术语是本领域普通技术人员已知的，但是应当理解，在未明确定义的情况下，术语的含义应当是本领域普通技术人员目前所接受的含义。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对要求保护的本专利技术的限制。在本申请中，单数形式的使用包括复数形式，词语“一个”或“一种”表示“至少一个/一种”，“或”字的使用表示“和/或”，除非另有具体说明。此外，使用术语“包括”以及其它形式，如“包含”和“含有”不是限制性的。同时，除非另外具体说明，术语如“元件”或“组件”涵盖包括一个单元的元件或组件以及包括不止一个单元的元件或组件。应理解，本文使用的“固态”表示电池的组件完全由固体材料形成。例如，电池的电极或电解质可包括多种类型的材料，其中一些材料在常规电池中可以是水性的。然而，在固态电池或固态电解质中，构成电池或电解质的全部材料完全是固体。在一些情况下，固态材料可以是晶体的，半晶体的或无定形的。使用醌作为阴极活性材料的电池最通常使用液体/准固体有机电解质，其与醌紧密接触，提供有效的离子导电路径。然而，由于溶解，非聚合物醌在这些电解质中通常表现出较差的循环性。本公开中的固态电解质解决了这种溶解问题，并使得任何醌活性材料可以稳定地运行。在美国专利申请公开2014/0308581、国际申请公开WO2016/025734和国际申请公开WO2016/191292中讨论的现有研究中，讨论了各种类型的利用有机电极的电池，这些专利公开的全文均通过引用纳入本文。上述现有研究中讨论了具有有机电极活性材料和水性电解质的电池，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由固态材料形成的电池，所述电池包括：阴极，其包含至少一种用作阴极活性材料的有机电极材料；与所述阴极接触的电解质，其中所述电解质包含具有离子导电性的至少一种无机化合物；和包含碱金属的阳极，其中所述阳极与所述电解质接触并与所述阴极电隔离，并且构成阴极、电解质和阳极的所有材料都是固态材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.11 US 62/307,0791.一种由固态材料形成的电池，所述电池包括：阴极，其包含至少一种用作阴极活性材料的有机电极材料；与所述阴极接触的电解质，其中所述电解质包含具有离子导电性的至少一种无机化合物；和包含碱金属的阳极，其中所述阳极与所述电解质接触并与所述阴极电隔离，并且构成阴极、电解质和阳极的所有材料都是固态材料。2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述至少一种无机化合物的通式为AxByCz，其中A选自Li、Na或它们的组合，B选自P、As、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、In、Tl、Ca、Ba、Ti、Cu、Ag、Zn、La、Ce、V、Ta或它们的组合，C选自O、N、S、Se、Sn或它们的组合，x/z＝0.5-1.0，和y/z＝0.2-0.6。3.如权利要求2所述的电池，其特征在于，所述电解质是晶体、半晶体或无定形的。4.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述阴极包含至少一种醌。5.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述至少一种醌包含1,2-苯醌和1,4-苯醌亚结构。6.如权利要求4所述的电池，其特征在于，在放电过程中，所述至少一种醌的羰基还原成酚根并与碱金属离子配位。7.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述至少一种醌具有直接连接至醌核的-OM基团，其中M＝Li或Na，所述-OM基团被氧化为羰基并释放M+离子。8.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述阳极包含Li、Na或含有Li或Na的合金。9.如权利要求8所述的电池，其特征在于，在电池的充放电过程中，所述阳极能够合金化-脱合金化/沉积-剥离/储存-释放选自Li、Na或其组合的至少一种金属离子。10.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚彦，梁衍亮，
申请(专利权)人：休斯敦大学系统，
类型：发明
国别省市：美国,US