具有与有机液体电解质相接合的无枝状晶负极的碱金属电池组制造技术

可再充电电池组电池具有与无枝状晶碱金属负极接触的有机‑液体电解质。碱金属负极在操作温度下可以是液体，其通过吸收至多孔膜中而被固定。碱金属负极可以是润湿多孔膜分隔件的固体，其中固体碱金属负极和液体电解质之间的接触在多孔膜分隔件中的微孔或纳米孔处。在具有多孔纤维素基分隔件膜的对称电池中，对无枝状晶的固体锂电池的使用进行了说明。通过使用具有

Alkali metal battery pack with dendrite-free negative electrode connected with organic liquid electrolyte

Rechargeable battery pack batteries have organic-liquid electrolytes in contact with dendritic alkali metal negative electrodes. The alkali metal negative electrode can be a liquid at operating temperature and is fixed by absorption into the porous membrane. The alkali metal negative electrode can be a solid that wets the porous membrane separator, where the contact between the solid alkali metal negative electrode and the liquid electrolyte is at the micropore or nanopore in the porous membrane separator. In symmetrical batteries with porous cellulose-based separator membranes, the use of dendritic-free solid lithium batteries is described. By using

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有与有机液体电解质相接合的无枝状晶负极的碱金属电池组政府迕可声明本专利技术是在能源部授予的授权号DE-SC0005397和授权号DE-AR0000297的条件下由政府支持而完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。优先权要求本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2016年3月18日提交的标题为“ALKALI-METALBATTERIESWITHADENDRITE-FREEANODEINTERFACINGANORGANICLIQUIDELECTROLYTE”，序列号为62/310,157的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
本公开大致涉及电化学能量存储，并且更具体地，涉及具有与有机液体电解质相接合(interfacing)的无枝状晶(dendrite-free)负极的碱金属电池组(battery)。
技术介绍
可再充电(二次)锂离子电池组被广泛用于诸如手机和便携式计算机的消费电子设备中，这部分归因于它们的高能量密度。可再充电锂离子电池组也可用于功率密集型应用设备中，例如电动车辆和动力工具。可再充电锂离子电池组的其他用途，例如用在能量网格存储(energygridstorage)中，是可能的。尽管具有其他碱金属离子(例如钠和钾)的可再充电电池组不太普及，但它们可用于许多与锂离子电池组相同的应用设备中。可再充电电池组将电能作为化学能存储在两个电极中，负极和正极中，该两个电极通过电解质在电池内部彼此隔开，而如果电解质是液体，则通过分隔件(separator)彼此隔开。该分隔件在与电极接触时可以是化学惰性的，并且分隔件对液体电解质是可渗透的。在两个电极之间发生的化学反应具有两个成分，离子成分和电子成分。电解质为离子导体，但为电子绝缘体。因此，化学反应的离子成分在电池组内部作为离子电流在电解质中流动，而电子成分在电池组外部作为电子电流在外部电路中流动。可通过断开电子电路来停止电子电流，并且可通过由正极上的正电荷和负极上的负电荷所产生的内部电场在开路处停止离子电流。当电池组放电时，带正电的离子在电池组内部流动，而带负电的电子在电池组外部从负极流动至正极，在正极处进行再结合以完成电极之间的化学反应。在放电时，电池组以电压V向外部电子电路输送电流I达时间Δt，直到电极之间的化学反应完成为止；因此，电池组将电极所存储的化学能转换成电功率P＝IV。当可再充电电池组电池(cell)充电时，外部电源以充电电压来提供充电电流，该充电电压逆转离子和电子电流流动，并因此逆转化学反应以将施加的电功率存储为化学能。在充电时，来自液体电解质作为负极的碱金属的电镀(plating)是不光滑的；枝状晶从碱金属表面形成并生长。该枝状晶可生长穿过电解质而达到正极，并可产生内部电子短路，该内部电子短路会加热电池组电池，并且和可燃电解质一起可能会产生火灾。因此，在现今的锂离子电池组电池中，负极通常为碳，其以电压(接近由金属锂所产生的电压)来存储Li+离子。然而，如果充电速率太高，则充电电压可能变得足够高以在碳上电镀金属锂，并且可能导致枝状晶的形成。即使负极以低于碳的电压来存储Li+离子，但由于负极可能会与电解质发生化学反应，可能会出现其它的负极问题，除非形成了固体-电解质中间相(SEI)层以阻止负极-电解质反应。负极上的钝化SEI层对Li+离子是可渗透的，并且SEI的Li+在初始充电时从正极被取走，这降低了所存储的电能的量。为了安全地增加充电速率，在负极中存储Li+离子的其他已知方法可包括使用除碳、合金和转化反应之外的其他嵌入主体。然而，就所存储的能量的密度而言，这种在负极中存储Li+的方法仍然差强人意。因此，由于潜在的枝状晶形成，以及其他不希望的影响，现今的可再充电电池组并不能安全地合并碱金属负极。
技术实现思路
如将进一步详细描述的，公开了具有与有机液体电解质接合的无枝状晶负极的碱金属电池组的几种示例。本文所公开的碱金属电池组可抑制枝状晶的形成，以允许安全的可再充电电池组，其具有作为与有机液体电解质接合的负极的碱金属或液态金属合金。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其特征和优点，现在参考以下描述，结合附图，其中：图1是对称电池的实施方式的所选元件的框图；图2是全电池的实施方式的所选元件的框图；图3是碱金属合金片状电极的图像；图4A和4B示出了具有碱金属合金片状电极的对称电池的循环试验的电压数据；图5示出了具有碱金属合金片状负极的全电池的循环试验的几种数据；图6示出了具有碱金属合金片状负极的全电池的循环试验的几种数据；和图7A描绘了与多孔分隔件一起使用的锂负极；和图7B描绘了与纳米多孔纤维素基多孔分隔件一起使用的锂负极。具体实施方式在以下描述中，通过示例的方式阐述了细节以便于讨论所公开的主题。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，所公开的实施方式是示例性的而非穷举所有可能的实施方式。如本文所使用的，附图标记的带有连字符的形式是指元素的特定实例，并且附图标记的未带有连字符的形式是指集合元素。因此，例如，设备“12-1”是指设备类别的一个实例，其可统称为设备“12”，并且其中的任何一个一般可称为设备“12”。推进可再充电电池组超越用于为手持设备供电的锂离子电池组以至其能以可接受的成本和充电速率来安全地为电动公路车辆供电，是非常期望的技术目标。这些改进可以减轻内燃机的气态产物所带来的不期望的环境和健康影响，并且可有助于将现代社会向更加可持续的能源经济推进。用于使改进的电池组成为可能的一项关键技术可能涉及开发具有碱金属负极的安全、低成本的电池组。如上所述，来自有机液体电解质的碱金属负极的电化学电镀会受到枝状晶形成和生长的困扰，这是电池组失效的主要原因。枝状晶可能在充电过程中形成，并且可生长穿过电解质而到达正极，以致发生内部短路，而内部短路会造成燃烧或甚至爆炸的后果。此外，地球上锂(Li)的稀缺可能会限制运输和能源行业中具有多个锂-负极电池的大容量电池组的市场潜力。因此，在充电期间采用有机液体电解质在负极上进行电镀时保持无枝状晶的锂或另一种碱金属负极是合乎期望的。碱金属钠(Na)和钾(K)是有趣的替代品，数量比锂多了一千多倍，并且在海洋中广泛可取。尽管用于快速、可逆地嵌入较大客体Na+和K+离子的大容量主体正极的识别比Li+更困难，但已知MnFe(CN)6双钙钛矿(double-perovskite)骨架为可逆的Na+嵌入提供可接受的可逆容量。本公开的专利技术人通过该观察已受到激励，并且已经尝试使用液体K-Na合金作为具有有机液体电解质的可再充电电池组的负极。枝状晶不在液体碱金属负极上形成，并且K-Na相图显示出-12.6℃的共晶温度，这适于允许K-Na的液体合金相在25℃下用于广泛的电池组应用设备。此外，诸如K-Na的液体碱金属合金与通常用于锂离子或钠离子电池组的有机液体电解质不混溶。假若液体电极，其在充电/放电循环期间会改变体积，可被固定并被诱导在操作温度(优选在室温附近)下润湿液体电解质的表面，则由于液-液电极-电解质界面的可能性，不混溶的液体是合乎期望的。对于K-Na合金组合物，在25℃下观察到包含有9.2至58.2wt.％Na的无枝状晶液相，其可为Na-金属电池组提供629mAhg-1的高比容量，并可为K-金属电池组提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池组电池，包括可再充电电化学电池，所述可再充电电化学电池包括：被固定在多孔膜中的液体金属负极；电解质；以及正极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.18 US 62/310,1571.一种电池组电池，包括可再充电电化学电池，所述可再充电电化学电池包括：被固定在多孔膜中的液体金属负极；电解质；以及正极。2.根据权利要求1所述的电池组电池，其中所述电解质是液体电解质。3.根据权利要求1所述的电池组电池，其中所述多孔膜选自以下中的至少一种：碳基膜；聚合物膜；多孔陶瓷膜；多孔凝胶膜；纤维素基膜；以及纤维基质膜。4.根据权利要求3所述的电池组电池，其中所述纤维基质膜被涂覆有以下中的至少一种：碳基材料；玻璃材料；聚合物；纤维素基材料。5.一种电池组电池，包括可再充电电化学电池，所述可再充电电化学电池包括：分隔件膜；在所述分隔件膜中的有机-液体电解质；无枝状晶负极；以及正极，其中所述有机-液体电解质通过所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·B·古迪纳夫，薛磊刚，比杨楚·尤，
申请(专利权)人：德克萨斯大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US