具有非水电解质的电能储存装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用做二次电池装置(22)的电能储存装置(20)，其具有一含铝和铟的阳极(28)以及一包括电活性层(42)的阴极(38)，其中电活性层具有一主晶格(44)，该主晶格具有一带离域π电子的共轭体系。一含铝掺杂物(48)与主晶格(44)结合并嵌入主晶格44。一由纤维素制成的膜(34)由一非水电解质(24)润湿，该非水电解质含有甘油以及含铝并带正电荷的第一离子(26)以及含铝并带负电荷的第二离子(27)，并且该膜被夹在阳极(28)和阴极(38)之间。本发明专利技术还公开了一种构造二次电池装置(22)的方法，其包括生产电解质(24)、阳极(28)以及包含掺杂物(48)的阴极(38)的步骤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有非水电解质的电能储存装置相关申请的交叉引用本申请要求2015年1月28日提交的美国实用专利申请第14/607,429号的权益，该申请是2014年11月12日提交的美国实用专利申请第14/539,448号的部分继续申请，其中全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及具有由铝制成的阳极以及含铝离子的电解质的电能储存装置。本专利技术还涉及一种用于构造具有由铝制成的阳极和含铝离子的电解质的电能储存装置的方法。
技术介绍
已知通常用含铝层的阳极生产电池。这些铝电池通常为原电池或不可充电的铝-空气电池的形式，例如美国专利第4,925,744号中公开的类型。美国专利申请第2002/0,148,539号公开了使用含0.1至0.5wt％铟的铝合金制成薄膜电池电极。美国专利申请第2012/0,082,904号公开了一种包括含铝金属的阳极和含铝离子的电解质的电池。众所周知，电池通常构造为若干夹层，其中阴极与膜形成夹层并与阳极间隔且平行设置，并且电解质浸渍膜以携带离子电流通过膜。这种例子在美国专利申请第2009/0142668号示出。已知使用一种掺杂物来改变电池阴极的电化学性质。这种掺杂的阴极已公开在美国专利第6,949,233号中。现有的具有由铝制成的阳极的能量储存装置已经受到了腐蚀以及阳极表面形成氧化物的限制，从而阻碍了电解质中的离子能够与阳极反应并且抑制了这种电池放电和再次充电。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电能储存装置，其具有一含铝的阳极和一包括主晶格的阴极，其中主晶格具有一含离域π电子的共轭体系，并与一含铝的掺杂物相结合，该电能储存装置还具有一含有分散在甘油中的正负铝离子的电解质。本专利技术还提供了一种构造这种电能储存装置的方法，其包括将高氯酸铝粉末溶解在甘油中来制备电解质的步骤。本专利技术从最广泛的方面提供了一种电能储存装置，其包括一由铝制成的阳极和一包括分散在甘油中的含铝离子的新型电解质。由于其独特的电化学特性，铝与在电能储存装置(例如锂离子电池)中通常使用的其它材料相比，具有提供更大的能量密度的潜力。铝还有更多优点，即，它比锂资源更丰富、便宜、更不易燃。甘油也称为丙三醇或丙烷-1,2,3-三醇，是分子式为C3H8O3的简单多元醇(糖醇)。甘油是一种资源丰富、稳定、吸湿、无毒的溶剂，非常适合用于非水电解质。这种电解质使得铝二次电池能够构造为具有由铝制成的阳极，由于该阳极不会遭受破坏性腐蚀或在阳极的铝上形成氧化物，因此能够进行多次充电和放电循环。附图说明请参阅下述详细说明并结合附图进行考虑，本专利技术的其他优点将更加容易领会和更好地理解，其中：图1是铝二次电池的剖视示意图；图2是二次电池的俯视图，其阳极位于阴极层上方。具体实施方式参见附图，其中相似的附图标记表示了所有附图中相应的部分。公开了一种用做二次电池装置22的电能储存装置20，该二次电池装置使用了含有含铝离子26、27的非水电解质24。术语“二次电池”指能够再充电的电化学能量储存装置。术语“非水性”指一种基本不含水的物质。根据本专利技术，可以构造其他类型的电能储存装置20。这类电能储存装置20包括，例如原电池，或不可充电电池，和电解电容器。如图所示，二次电池装置22构造为薄层堆叠结构。应当理解，二次电池装置22可以由许多不同的物理结构制成。这类结构的示例可以是硬币电池、圆柱形电池，以及例如那些通常用于笔记本电脑、个人电子设备，和电动或混合电动车辆中的多电池组合。二次电池装置22包括由纯度为99.95％的铝和0.1至0.6wt％的铟制成的阳极28。阳极28的形状为具有第一长度为1.2cm、第一宽度为1.7cm以及第一厚度为0.1mm的矩形。由导电材料制成的负极引线30采用一种含有金属颗粒的导电接合剂32与阳极28进行电接触式附接。这种导电接合剂32的示例为由EMS(ElectronMicroscopySciences)公司出售的两部分导电银漆(部件号：12642-14)和纽约普莱森特维尔(Pleasantville)的SOLDER-IT,INC公司出售的Solder-It铝焊膏。负极引线30作为连接点在阳极28和外部电路之间传导电流，从而对电池装置充电或放电。负极引线30也可作为与另一个电池单元的连接点，从而成为多单元电池装置的一部分。负极引线30可以是导线、焊盘、端子或任何其它合适的实现电连接的装置。由纤维素制成的膜34具有0.08mm厚度并限定了多个孔36，该膜与阳极28成为平行夹层且接触阳极28。该膜34是电绝缘体，但是允许溶解的离子26、27渗透。二次电池装置22还包括具有第二长度为1.4cm、第二宽度为1.9cm以及第二厚度为0.1mm的形状为矩形的阴极38。阴极38与膜34相邻且平行设置，膜34夹在阴极38和阳极28之间。阴极38包括一由纤维素制成的载体片40和一电活性层42，该电活性层集成在载体片40内并设置在载体片40面向阳极28的一侧上。换句话说，电活性层42覆盖载体片40的表面并延伸到其结构中。电活性层42包含主晶格44，该主晶格限定了多个空隙，并且包括具有离域π电子的共轭体系。共轭体系被定义为由多个相连p轨道组成的系统，其在化合物中含有离域电子。更具体来说，共轭是一个p轨道与另一个p轨道跨越邻近单(σ)键的重叠。具有这种共轭体系的一种化合物是石墨。其它化合物，例如但不限于聚苯胺和多共轭直链烃聚合物，也包括具有重叠p轨道的共轭体系。一种含有醇化铝和甘油酸铝的掺杂物48结合至主晶格44的共轭体系，以改变阴极38的电活性层42的电化学性能，从而增加与第一离子26和第二离子27的反应速率以用于二次电池装置22的充电和放电。掺杂物48也插入主晶格44中，从而使得掺杂物48的粒子嵌入主晶格44的空隙中。含有石墨的正极引线50电连接到阴极38的电活性层42，用于在阴极38和外部电路之间传导电流从而对电池充电或放电。正极引线50通过含有石墨的导电粘合剂52与阴极38的电活性层42进行电子和机械附接。一种这样的导电粘合剂52是由EMS(ElectronMicroscopySciences)公司出售的石墨导电粘合剂52112(部件号12693-30)。正极引线50优选由热膨胀石墨的薄膜带制成。正极引线50也可以是直径为0.1mm的石墨棒。正极引线50还可以作为与另一个电池单元的连接点从而成为多单元电池装置的一部分。正极引线50可以被构造为导线、焊盘、端子或任何其它合适的实现电连接的装置。金属导体不应被置于与阴极38的电活性层42直接接触，因为一些金属已经可以迁移到电活性层42中，并在二次电池装置22充电和放电时干扰阴极38的功能性。电解质24基本上由甘油和含铝并带正电荷，含[Al(ClO4)2·{C3H5(OH)3}2]+的第一离子26和含铝并带负电荷，含[Al(ClO4)4]-的第二离子27组成，其浸渍或浸泡膜34的孔36，以便将离子26、27输送通过膜34。因此，铝的离子26、27在阳极28和阴极38之间迁移并与其反应时形成离子电流，从而对电池进行充电和放电。在一个实施例中，电活性层42的主晶格44包括粒径为200至300μm的石墨片54以及一种被甘油润湿的粘合剂材料。烷基胶和丙烯酸胶各自都是适合的粘合剂材料，其中任一种都可使用。在一个替代实施例中，电活性层4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电能储存装置(20)，包括：一含有铝层的阳极(28)，一与所述阳极(28)成为夹层的膜(34)，一电解质(24)，其包括含铝并带正电荷的第一离子(26)以及含铝并带负电荷的第二离子(27)，并且所述电解质(24)浸渍所述膜(34)以携带离子电流通过所述膜(34)，一阴极(38)，其与所述膜(34)成为夹层并与所述阳极(28)间隔且平行设置，其特征在于，所述电解质(24)基本上由甘油以及含铝的所述第一离子(26)和含铝的所述第二离子(27)组成，该第一离子和第二离子分散在所述甘油中，以在铝制的所述阳极(28)与所述阴极(38)之间迁移并与它们反应，从而对电能储存装置(20)进行充电和放电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.12 US 14/539,448;2015.01.28 US 14/607,4291.一种电能储存装置(20)，包括：一含有铝层的阳极(28)，一与所述阳极(28)成为夹层的膜(34)，一电解质(24)，其包括含铝并带正电荷的第一离子(26)以及含铝并带负电荷的第二离子(27)，并且所述电解质(24)浸渍所述膜(34)以携带离子电流通过所述膜(34)，一阴极(38)，其与所述膜(34)成为夹层并与所述阳极(28)间隔且平行设置，其特征在于，所述电解质(24)基本上由甘油以及含铝的所述第一离子(26)和含铝的所述第二离子(27)组成，该第一离子和第二离子分散在所述甘油中，以在铝制的所述阳极(28)与所述阴极(38)之间迁移并与它们反应，从而对电能储存装置(20)进行充电和放电。2.根据权利要求1所述的电能储存装置(20)，其特征在于，所述含铝的第一离子(26)含[Al(ClO4)2·{C3H5(OH)3}2]+，所述含铝的第二离子(27)含[Al(ClO4)4]-。3.一种电能储存装置(20)，包括：一含有铝层的阳极(28)，一与所述阳极(28)成为夹层的膜(34)，一阴极(38)，其与所述膜(34)成为夹层并与所述阳极(28)间隔且平行设置，其特征在于，所述阴极(38)包含一主晶格(44)以及一掺杂物(48)，该主晶格具有带离域π电子的共轭体系，该掺杂物含有甘油酸铝并与所述主晶格(44)结合，以改变所述阴极(38)的所述主晶格(44)的电化学性质。4.根据权利要求3所述的电能储存装置(20)，其特征在于，其中所述掺杂物(48)包含醇化铝。5.一个二次电池装置(22)包括：一阳极(28)，其由含99.4-99.9wt％、纯度为99.95％的固体铝和0.1-0.6wt％的铟的一个层组成，其形状为具有第一长度为1.2cm、第一宽度为1.7cm以及第一厚度为0.1mm的矩形，一由导电材料制成的负极引线(30)，其与所述阳极(28)电接触，以用于与外部电路传导电流，一包括金属颗粒的接合剂(32)，其设置并附着在所述阳极(28)和所述负极引线(30)之间，以用于在其间传导电流，一由纤维素制成的膜(34)，其具有第三厚度为0.08mm并限定了多个孔(36)，且与所述阳极(28)成为夹层以用于在其间提供电绝缘，一电解质(24)，其包括含铝并带正电荷的第一离子(26)以及含铝并带负电荷的第二离子(27)，并且所述电解质(24)浸渍所述膜(34)的所述孔(36)以携带离子电流通过所述膜(34)，一阴极(38)，其形状为具有第二长度为1.4cm、第二宽度为1.9cm以及第二厚度为0.1mm的矩形，且该阴极与所述膜(34)相邻且平行设置，并且所述膜(34)夹在所述阴极(38)和所述阳极(28)之间，所述阴极(38)包括一由纤维素制成的载体片(40)和一电活性层(42)，该电活性层与所述载体片(40)集成并位于所述载体片(40)上面向所述阳极(28)一含有石墨的正极引线(50)，其与所述阴极(38)的所述电活性层(42)电接触，以用于与外部电路传导电流，一含有石墨的粘合剂(52)，其设置在所述电活性层(42)和所述正极引线(50)之间并将该电活性层与该正极引线连接，以用于在其间传导电流，其特征在于，所述电解质(24)基本上由甘油以及含[Al(ClO4)2·{C3H5(OH)3}2]+的所述第一离子(26)和含[Al(ClO4)4]-的所述第二离子(27)组成，该第一离子和第二离子在所述阳极(28)和所述阴极(38)之间迁移并与它们反应，从而对所述二次电池装置(22)进行充电和放电，所述阴极(38)的所述电活性层(42)包含一具有带离域π电子的共轭体系并限定空隙的主晶格(44)以及一包含醇化铝和甘油酸铝的掺杂物(48)，该掺杂物与所述主晶格(44)的所述共轭体系结合并且插入所述空隙中，以改变所述阴极(38)的所述电活性层(42)的电化学性质，从而增加与所述第一离子(26)和所述第二离子(27)的反应速率，以用于所述二次电池装置(22)的充电及放电。6.根据权利要求5所述的二次电池装置(22)，其特征在于，所述电活性层(42)的所述主晶格(44)包括粒径为200至300μm的石墨片(54)和被甘油润湿的粘合剂材料。7.根据权利要求6所述的二次电池装置(22)，其特征在于，所述粘合剂材料包括烷基胶。8.根据权利要求6所述的二次电池装置(22)，其特征在于，所述粘合剂材料包括丙烯酸胶。9.根据权利要求5所述的二次电池装置(22)，其特征在于，所述电活性层(42)的所述主晶格(44)包括无定形热膨胀石墨、二氧化锰、活性二氧化锰和乙炔黑的颗粒、一被甘油润湿的粘合剂材料以及一含有石墨的导电涂料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·M·亚罗什科，
申请(专利权)人：英特储能公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA