用于混合能量存储装置中的碳‑铅共混物制造方法及图纸

本申请是针对包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。这些共混物在多种电子装置中（例如铅酸电池中）得到应用。还披露了制造和使用这些共混物的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本申请是针对包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。这些共混物在多种电子装置中（例如铅酸电池中）得到应用。还披露了制造和使用这些共混物的方法。【专利说明】用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§ 119(e)要求2011年6月3日提交的美国临时专利申请号61/493，350的权益，该申请通过引用以其全文结合在此。专利技术背景
本申请涉及用于能量存储和分配的组合物以及装置。这些组合物包括多个铅颗粒以及多个碳颗粒并且展现出适合于在混合碳-铅能量存储装置中使用的所希望的电化学特性。_5] 相关技术描述混合能量存储装置,也被称为非对称超级电容器(supercapacitor)或混合电池/超级电容器，利用电池电极和超级电容器电极的组合。例如，混合碳-铅能量存储装置采用铅酸电池正电极(阴极)和超电容器(ultracapacitor)负电极(阳极)。此类装置包括一组独特的特征，这些特征包括长循环寿命、增加的功率、快速再充电能力以及宽范围的温度可操作性。常规的铅酸能量存储装置可能具有有限的有效寿命和功率性能。采用碳亦或铅酸电极(但在同一电极不采用它们的组合)的混合能量存储装置可以提供一些相对于常规铅酸装置的改进和优点；但是，它们的有效寿命、能量容量和功率性能同样有限。例如，在多次充电/放电循环之后，铅基正电极经常由于活性二氧化铅膏从集电体栅格脱落而失效。在多次充电/放电循环时，这些装置的阳极同样受损，这是因为放电硫酸铅晶体尺寸增大并且引起负电极板的“致密化”，这导致充电接受能力降低以及容量损失。认为这种电极失效归因于这些装置中所采用的碳材料中的杂质所引起的二级和三级副反应。此外，电极的低表面积以及相对高的离子迁移距离限制了这些装置的功率性能。传统的观点是，这种能量存储装置、特别是以商业数量制造的那些要求当电极被放置到用于该能量存储装置的壳体中时这些电极的显著压缩。此外，由于在此所讨论的种类的超级电容器能量存储装置包括铅基正电极连同碳基负电极，并且铅基正电极由铅酸电池领域是已知的，已经对改进的负电极的开发给予了相当大的关注。超电容器能量存储装置的正电极有效地定义了该装置的使用寿命。负电极通常不会磨损；但在另一方面，正如铅酸蓄电池一样，超电容器能量存储装置的铅基正电极典型地将会首先失效。那些失效总体上是由于在充电和放电循环过程中的剥落和尺寸变化劣化导致活性二氧化铅膏从集电体栅格脱落而损失的结果。尽管已经认识到对于在混合铅-碳能量存储装置中使用的改进的碳材料的需要，此类碳材料还尚待开发。因此，在本领域中对于在混合铅-碳电能存储装置中使用的改进的电极材料，以及对于用于制备它们的方法和含有它们的装置继续存在一种需要。本专利技术实现了这些需求并且提供了进一步的相关优势。 简要概述总体而言，本专利技术是针对采用碳颗粒和铅颗粒的物理共混物的用于能量存储和分配的组合物以及装置。铅与碳材料的这些共混物展现出适合于在混合碳-铅能量存储装置中使用的所希望的电化学特性。这些碳颗粒可以是任何适合的碳材料。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒是活化的碳(activated carbon)颗粒,并且在其他实施例中,这些碳颗粒是超纯的。在其他实施例中，这些碳颗粒包含大于IOOOppm的总PIXE杂质含量(即“非超纯的”)。该碳材料还可以包括某些添加剂。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒包括一种浸溃在碳的孔内或碳的表面上的铅材料(例如铅氧化物)。因此，在一个实施例中，本专利技术提供了一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。在其他实施例中，本专利技术提供了一种包含碳和铅的共混物，其中如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于500ppm的具有范围从11至92的原子序数的所有元素(不包括铅)的总杂质含量。在另一个实施例中，本专利技术是针对一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物，其中这些碳颗粒在碳颗粒的孔结构内或表面上包含铅。在还有其他实施例中，本专利技术提供了 一种电能存储装置，该装置包括在此所披露的这些共混物之任何一种。例如，在一些实施例中，该装置是一种电池，该电池包括:a)至少一个正电极，该正电极包含与一个第一集电体电接触的一种第一活性材料；b)至少一个负电极，该负电极包含与一个第二集电体电接触的一种第二活性材料；以及c) 一种电解质；其中该正电极和该负电极由一个惰性多孔隔板分离，并且其中该第一或第二活性材料的至少一个包含根据本披露的共混物。还提供了包含这些碳-铅共混物的负极活性材料。而且，还提供了包含该负极活性材料的能量存储装置。此外，还提供了使用这些新颖的组合物和装置的方法。本专利技术的这些和其他方面通过参考以下的详细描述将变得清楚。为此，在此提出了更详细地描述某些背景信息、程序、化合物和/或组合物的各种参考文献，并且各自以其全文通过引用结合在此。附图简要说明在这些图中，相同的参考号标识相似的元件。在这些图中的元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制并且这些元件中的某些被任意地放大和放置以改善图的易识别性。此夕卜，如所绘制的这些元件的特定形状并非旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且仅仅已被选定来便于在图中识别。图1描绘了一个示例性的能量存储装置的示意图。图2呈现了不同碳样品的碳电容。图3示出了微孔活化的碳的氮吸附等温线。图4呈现了微孔碳的DFT孔体积分布。图5描绘了介孔活化的碳的DFT孔体积分布。图6示出了在浸溃乙酸铅之前(空心圆)和之后(实心菱形)，介孔碳的DFT孔体积分布。图7是介孔碳材料的孔径分布。图8示出了作为碳涂布的铅电极的涂布体积的函数的碳质量。图9是一个示出了具有各种孔体积的活化和未活化的碳的吸水量的曲线图。图10显示了不同碳颗粒的水增重。图11示出了各种碳样品的表面积与重量比电容之间的关系。图12是一个示出了电容与碳-铅共混物的比表面积的图。图13描绘了包含碳-铅共混物的膏的密度与膏中溶剂与固体的比例的关系。图14示出了不同碳样品的润湿性。图15是一个示出了不同碳样品的孔体积增量的曲线图。图16说明了硫酸溶液的摩尔浓度相对于活化的和预活化的碳样品的pH的变化。详细说明在下面的描述中，提出了某些具体细节以提供对各种实施例的充分理解。然而，本领域的普通技术人员将理解本专利技术可以在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未将众所周知的结构示出或详细描述以避免不必要地使实施例描述变得含糊。除非上下文另有要求，在整个说明书和随后的权利要求书中，词语“包含”及其变化形式，如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”应被解释为开放式、包含性的含义，即，解释为“包括，但不限于”。此外，在此提供的标题仅为了便利，并不说明所要求保护的专利技术的范围或含义。在整个本说明书中提及“一个(one)实施例”或“一个(an)实施例”是指与该实施例有关所描述的特定特点、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书的不同地方出现的短语“在一个(one)实施例中”或“在一个(an)实施例中”不必全部涉及同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，这些特定特点、结构或特征能够以任何适合的方式进行组合。并且，如在本说明书和随附的权利要求中所用的，单数形式“一个/种(a/an)”以及“该(the)”本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含碳以及铅的共混物，其中如由质子诱发x射线发射所测量的，该共混物包含小于500ppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的所有元素的总杂质含量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：利亚·A·汤普金斯，亚伦·M·费沃尔，亨利·R·克斯坦蒂诺，张子扬，凯瑟琳·格拉米塔，艾沃瑞·萨克斯海于格，马修·J·马路恩，
申请(专利权)人：艾纳G二技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US