用于水性电解质能量储存的复合阳极结构和含有所述结构的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于能量储存装置的阳极电极，其包括离子嵌入材料和赝电容材料两者。所述离子嵌入材料可以是NASICON材料，如NaTi2(PO4)3，并且所述赝电容材料可以是活性碳材料。所述能量储存装置还包括阴极、电解质以及隔膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】用于水性电解质能量储存的复合阳极结构和含有所述结构的装置相关专利串请的交叉参考本申请要求2012年12月12日提交的美国临时专利申请第61/736，137号以及2013年8月21日提交的美国非临时专利申请第13/972，409号的权益。这些申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
本专利技术涉及电化学电池集并且尤其涉及混合能量储存装置。
技术介绍
小型可再生能量收集和发电技术(如太阳能电池阵列、风力涡轮机、微型斯特林(sterling)发动机以及固体氧化物燃料电池)不断发展，并且存在对中等尺寸二级(可再充电的)能量储存容量的相称的强烈需求。用于这些固定应用的能量储存蓄电池典型地储存IkWh与50kWh之间的能量(取决于应用)并且以往是基于铅-酸(Pb酸)的化学反应。蓄电池典型地包含串联和并联式连接的多个个别的电池以获得所需系统容量和总线电压。对于车辆和固定储存应用来说，取决于应用，蓄电池通常具有数百或数千伏特的总线电压。在这些情况下，其中多个单元串联式电性连接，典型地存在使这些电池尽可能彼此类似的内在需求。在电池未足够类似的情况下，通常需要监测电池电平并且控制电路。如果一串电池中的一些组电池具有低于同一串中的其它电池的充电容量，那么较低容量电池将在完全放电或所述串充电期间达到过度充电/充电不足状态。这些较低容量电池将是非稳定的(典型地归因于电解质腐蚀反应)，导致蓄电池的寿命性能降低。这一作用在多种蓄电池化学反应中是常见的并且在Li离子蓄电池中和超级电容器包中显著可见。在这些系统中，如果未按照严格(并且昂贵)的精度生产电池，那么需要高成本并且复杂的电池电平管理系统。
技术实现思路
一个实施例涉及用于能量储存装置的阳极电极，其包括离子嵌入材料和赝电容材料两者。离子嵌入材料可以是NASIC0N材料，如NaTi2 (PO4) 3，并且赝电容材料可以是活性碳材料。另一实施例涉及操作包含多个电性连接的电化学能量储存电池的能量储存装置的方法，其中各电池包含负阳极电极，其包含离子嵌入材料和电化学双层电容和/或赝电容材料两者；正阴极电极；隔膜；以及水性电解质，所述方法包含使所述多个电化学能量储存电池充电和放电，其中电化学双层电容和/或赝电容材料通过吸收充电步骤期间释放的氢物质来保护离子嵌入材料不受腐蚀。【附图说明】图1说明根据实施例的个别的电化学电池。图2是根据实施例的装置的分解视图，所述装置在壁型聚合物壳体内部含有四个串联式连接的棱柱形/平行堆叠。图3是图2的壳体的透视图。图4是图3中示出的串联式电性连接的七个壳体堆叠的透视图。这一壳体堆叠包括28个串联式连接电池的棱柱形/平行堆叠以形成约56V蓄电池系统。图5是多个串联式电性连接的壳体堆叠的示意性透视图。图6A是来自具有λ -MnO2阴极结构和含有活性碳和NaTi 2(PO4)3的复合阳极的单一电池以伏特计的电池电势与以任意单位计的容量的曲线图。电容/赝电容、过度充电以及嵌入操作模式的不同电压特征在随容量变化的不同区域中通过相应的字母C、OC以及I表不。图6Β是显示含有20:80、60:40以及80:20的不同NaTi2 (PO4) 3/活性碳质量比的阳极的单一电池电压与容量(任意单位)分布(用于对称恒定电流充电/放电研宄)曲线图。图7Α是从具有含有1:1活性碳/NaTi2(PO4)3质量比的阳极和基于λ-MnO2的阴极的电池收集的电压与容量的曲线图。图7Β是类似于图7Α中示出的电池的库仑效率(Coulombic efficiency)和充电/放电容量(呈电池初始容量百分比形式)随循环变化的曲线图。图7C、7D以及7E为现有技术电池充电/放电容量随循环变化的曲线图，所述电池描述于S.帕克(S.Park)等人，电化学协会杂志(Journal of the ElectrochemicalSociety), 158 (10)A1067-A1070 (2011);以及曾(Zeng)等人，先进能源材料(AdvancedEnergy Materials) 3290-294, (2013)中。图8A和8B分别为电池电压与容量(以Ah为单位)以及容量与循环的曲线图。这些图说明了用复合活性碳/NaTi2 (PO4)3阳极和λ-MnO2阴极制成的较大尺寸装置(25Ah)的性能。图9是在严重过度充电测试下一串四个较大尺寸的用复合活性碳/NaTi2(PO4)3阳极和λ-MnO2阴极制成的电池的电压分布(即，电压与以Ah为单位的容量)的曲线图，其中活性碳材料的性能是显而易见并且标记的。图1OA和1B为容量与循环次数以及电压与容量的相应曲线图，其显示一串28个用复合活性碳/NaTi2 (PO4) 3阳极和λ -MnO 2阴极制成的电池堆叠的长期稳定性。图1lAUlB以及IlC为电压与容量、电压与能量以及容量与循环次数的相应曲线图，其显示在无电池电平蓄电池管理的情况下含有28个与串联式电性连接的棱柱形/平行电池堆叠的装置所体现的容量(图11Α)、能量(图11Β)以及长期深度循环寿命稳定性(图11C)。图12Α和12Β为一串具有7个串联储存装置(各具有4个电池)的装置的电压与总加工容量的曲线图，其显示由于在阳极中使活性碳材料与NaTi2(PO4) 3材料复合而产生的被表明的自动平衡机制的迹象。图13是在中性pH的Na2SO4水溶液中测试的活性碳的循环伏安图。图14是电势与电池容量的曲线图，其说明了来自具有λ-MnO2阴极结构和含有活性碳及NaTi2 (PO4) 3的复合阳极的电池的三种电极数据。【具体实施方式】在不牺牲包的完整性的情况下使可以内置有电池的蓄电池具有较高的电池间充电储存容量变化将是极其有用的。专利技术人已发现水性电解质电化学电池能够在过度充电后使用内部电化学反应进行自我调节。这种自我调节允许制造对电池间充电容量变化具有较高耐受性的高压串电池。优选地(但不一定)，系统不具有电池电平电压监测和电流控制电路(也称为电池电平蓄电池管理系统或BMS)。因此，未监测或控制电池电平电压。在不受任何特定理论束缚的情况下，专利技术人认为自我调节机制是在阳极电极处进行的水性电解质的局部电解。当电解发生时，产生少量氢以及0H_物质。0H_物质局部提高PH，从而使紧邻阳极的电解质的电压稳定性窗变成较低值。此随后消除氢的持续释放。据信，在过度充电期间，电池充电时形成的氢物质的至少一部分储存在电池的阳极电极中、阳极电极上和/或阳极电极处。为简洁起见，下文电池充电时形成并且储存在阳极电极中、阳极电极上和/或阳极电极处的氢物质将被称作“阳极储存氢”。据信，氢可以通过吸附(例如通过范德华力(van der Waals force))和/或化学结合(例如通过共价键结)到阳极电极表面来储存和/或可以储存在活性碳阳极的主体中，例如通过嵌入活性碳晶格中，吸附到活性碳孔隙侧壁和/或通过化学键结到活性碳孔隙侧壁。还有可能的是，氢可以阳极表面处(即附近)的电容或赝电容双层形式储存在阳极处。优选地，大部分氢物质(例如至少51%，如60%到99%，包括70%到90% )储存在阳极电极中和/或阳极电极处。任何残留的所产生的氢物质可能以氢气形式从电池蒸发。在以下更详细描述的一个优选实施例中，活性物质是赝电容和/或电容材料(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于水性电解质能量储存装置的阳极电极，所述阳极电极包含离子嵌入材料和电化学双层电容和/或赝电容材料两者。

【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：杰伊·怀特奎，亚历克丝·穆罕默德，安德鲁·波隆斯基，斯内·沙哈格，克里斯滕·卡莱尔，
申请(专利权)人：亚奎尼能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US