非对称的二次电化学电池制造技术

一种具有水性碱性电解质的非对称的二次电化学电池包括负电极，所述负电极具有基于碳的储存材料以及附加的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹双层）来将电荷储存在所述电极中，所述附加的储存材料可以借助氧化还原反应来储存电能。该电池的正电极具有氢氧化镍和/或羟基氧化镍和/或这些镍化合物的衍生物作为阴极储存材料。所述负电极的容量Kn比所述正电极的容量Kp处于在为0.7:1到5:1的范围中的比例X。附加的储存材料针对所述电极的干重以为0.1重量%到8重量%的份额包含在所述负电极中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】非对称的二次电化学电池
随后描述的专利技术涉及一种非对称的二次电化学电池，该非对称的二次电化学电池具有水性碱性电解质。所述非对称的二次电化学电池具有负电极以及具有正电极，所述负电极包括基于碳的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹（Helmholtz）双层）将电荷储存在电极中，所述正电极包括氢氧化镍和/或羟基氧化镍和/或这些镍化合物的衍生物作为阴极储存材料。
技术介绍
电化学电池始终包括正电极和负电极。在电化学电池放电时，进行供应能量的化学反应，所述化学反应由两个相互电耦合的但是在空间上彼此分开的不完全反应组成。在氧化还原电势相对较低时进行的不完全反应在负电极处进行；在氧化还原电势相对较高时进行的不完全反应在正电极处进行。在放电时，在负电极处通过氧化过程释放电子，结果得到（大多数经由外部载荷）至正电极的电子流，由所述正电极吸纳相对应数量的电子。在正电极处，因此进行还原过程。同时，在电池内发生对应于电极反应的离子流。该离子流通过离子传导的电解质来确保。在二次电化学电池中，放电反应是可逆的，即存在如下可能性：使在放电时实现的化学能到电能的转变逆转。在本上下文中，如果使用术语“阳极”和“阴极”，则一般根据其放电功能命名所述电极。在这种电池中，负电极因此是阳极，正电极是阴极。数年来，已知了非对称的二次电化学电池，该非对称的二次电化学电池具有水性碱性电解质，在所述非对称的二次电化学电池中，负电极包括基于碳的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹双层）将电荷储存在电极中，而正电极包括如下材料作为阴极储存材料：所述材料可以借助氧化还原反应储存电能。对于这种系统的实例在WO2016/005529A1中或者在WO2016/020136A2中予以描述。例如活性炭适宜作为阳极储存材料。作为阴极储存材料，例如可以采用氢氧化镍/羟基氧化镍或者氧化铁/铁。在这些电池中，通过法拉第过程来给正电极充电，而负电极在充电时在阳极储存材料与电解质之间的界面处构造双电层。在这种结构方式的电池中成问题的是，正电极和负电极具有差别极大的自放电率。一般说来，负电极的自放电率比正电极的自放电率高得多。这导致大问题，尤其是在充电过程中的大问题。如果给其负电极具有比正电极更低的充电状态的电池充电，则在负电极已达到其整个容量之前，要么给正电极过充电，要么但是必须中断充电过程。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务是提供电化学电池，所述电化学电池具有关于所述问题得以改进的特性。该任务通过在下文中所描述的电池来解决，尤其是也通过根据本专利技术的具有权利要求1的特征的电化学电池的特别优选的实施形式来解决。根据权利要求1的电池的优选的实施形式在从属权利要求2至6中予以说明。所有权利要求的措辞对此通过参考说明书的内容而得到。如在现有技术中已知的电池那样，根据本专利技术的非对称的二次电化学电池具有负电极和与该负电极耦合的正电极，其中如开头所描述的那样，在电池放电时在负电极处释放电子，而由正电极同时吸纳相对应数量的电子。负电极包括基于碳的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹双层）将电荷储存在电极中。此外，负电极包括阳极集流体（Anodenstromkollektor）。正电极包括氢氧化镍和/或羟基氧化镍和/或这些镍化合物的衍生物作为阴极储存材料。此外，正电极包括阴极集流体。在负电极与正电极之间布置有至少一个多孔的隔离器层，所述隔离器层具有第一扁平侧（Flachseite）和第二扁平侧。不仅电极而且隔离器在此用水性碱性电解质浸渍。电极、隔离器和电解质被壳体包围。隔离器层的第一扁平侧包括第一区域，该第一区域与负电极的阳极储存材料处于平面接触，尤其是用该材料来覆盖。隔离器层的第二扁平侧包括第二区域，该第二区域与正电极的阴极储存材料处于平面接触，尤其是用该材料来覆盖。在此，第一区域和第二区域（并且由此也为负电极和正电极）在重叠区域中至少部分重叠。避免或者至少减小所述的结合非对称的电池的电极的不同的自放电率形成的问题的可能性在于，将正电极和负电极的容量设定（einstellen）到清楚限定的比例。根据本专利技术的电池的特点在于，负电极的容量Kn和正电极的容量Kp彼此处于在为0.7:1到5:1（Kn:Kp）的范围中的比例X。优选地，负电极的容量Kn和正电极的容量Kp彼此处于在为1:1到5:1的范围中的比例X。在该范围之内，负电极/正电极的容量比例优选在为1:1至2:1的范围中、特别优选在为1:1至1.5:1的范围中、进一步优选在为1:1到1.1:1的范围中。因此，根据本专利技术，使负电极的容量Kn和正电极的容量Kp以确定的比例彼此均衡。负电极的优选的实施形式负电极在优选的实施形式中包括如下特征中的至少一个特征，在特别优选的实施形式中也包括如下特征中的多个特征：-基于碳的储存材料优选地是来自具有如下内容的组的至少一种材料：活性炭（AC）、活性炭纤维（AFC）、碳化物衍生碳（CDC）、碳气凝胶、石墨（石墨烯（Graphen））和碳纳米管（CNT）。众所周知，活性炭是多孔的、特别细粒的碳改性物（Kohlenstoffmodifikation），所述碳改性物具有大的内表面。根据本专利技术采用的活性炭优选地具有至少800m2/g、优选地至少900m2/g（分别根据DINISO9277来确定）的BET表面。替选地或者附加地，根据本专利技术使用的活性炭具有至少60F/g（根据DINIEC62391来确定）的容量值。活性炭纤维可以从活性炭获得。活性炭纤维同样是多孔的，具有大的内表面，并且大多数有大约10µm的典型的直径。除了高的比容量之外，活性炭纤维沿着纤维轴具有极好的传导性。碳气凝胶是由有机凝胶制成的合成的高孔隙度的材料，其中凝胶的液体成分通过热解利用气体替代。碳气凝胶例如可以通过间苯二酚-甲醛的热解来制造。它们具有比活性炭更好的导电性。碳化物衍生碳由多种物质构成，所述物质从如例如碳化硅和碳化钛这样的碳化物通过热分解或者通过化学卤化被转变成纯的碳。由碳化物衍生碳制成的电极拥有带有定制的孔大小的大的表面。总的看来，由CDC制成的电极与由活性炭制成的电极相比具有更高的能量密度。石墨烯是具有二维结构的碳改性物。多个链接的苯环构造蜂窝形的图案，其中每个碳原子以120°的角度被三个其他碳原子围绕，并且其中所有碳原子都是sp2杂化的。石墨烯提供每个重量单位的在理论上最大的利用碳可达到的表面，并且因而当前是与开发超级电容器有关联的深入检查的对象。碳纳米管是变形为圆柱形纳米管的石墨烯层。存在单壁的纳米管和多壁的纳米管，其中多个单壁的纳米管彼此同轴地嵌套布置。通常，基于CNT的电极比基于活性炭的电极拥有更小的电极表面。尽管如此，利用CNT比利用活性炭电极原则上可以实现更高的容量。当然，所述的基于碳的材料也可以相互组合地来使用。在这种情况下，任何混合比例都是可设想的。基于碳的储存材料优选地以如下份额（Anteil）包含在负电极中：所述份额在为10重量%至94.9重量%的范围中、特别优选地在为40重量%至94.9重量%的范围中。这些百分值针对负电极整体的重量，即针对该电极的包括阳极储存材料、阳极集流体以及如电极粘结剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非对称的二次电化学电池，其包括：1.1 负电极，所述负电极包含：1.1.1 基于碳的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹双层）将电荷储存在所述电极中，以及附加的储存材料作为阳极储存材料，所述附加的储存材料能够借助氧化还原反应储存电能，以及1.1.2 阳极集流体，1.2 正电极，所述正电极包含：1.2.1氢氧化镍和/或羟基氧化镍和/或这些镍化合物的衍生物作为阴极储存材料，以及1.2.2 阴极集流体，1.3 在所述负电极与所述正电极之间的至少一个多孔的隔离器层，所述至少一个多孔的隔离器层具有第一扁平侧和第二扁平侧，以及1.4 水性碱性电解质，利用所述水性碱性电解质浸渍所述电极和所述隔离器，以及1.5 壳体，所述壳体包围所述电极、所述隔离器和所述电解质，其中，1.6 所述第一扁平侧包括第一区域，所述第一区域与所述负电极的所述阳极储存材料处于平面接触，并且所述第二扁平侧包括第二区域，所述第二区域与所述正电极的所述阴极储存材料处于平面接触，以及1.7 所述第一区域和所述第二区域在重叠区域中至少部分重叠，其特征在于，1.8 所述附加的储存材料针对所述负电极的干重以为0.1重量%到8重量%的份额包含在所述负电极中，以及1.9 所述负电极的容量Kn比所述正电极的容量Kp彼此处于在为0.7:1到5:1的范围中的比例X。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.21 EP 16199766.31.一种非对称的二次电化学电池，其包括：1.1负电极，所述负电极包含：1.1.1基于碳的储存材料作为阳极储存材料，所述基于碳的储存材料使得能够通过构造双电层（亥姆霍兹双层）将电荷储存在所述电极中，以及附加的储存材料作为阳极储存材料，所述附加的储存材料能够借助氧化还原反应储存电能，以及1.1.2阳极集流体，1.2正电极，所述正电极包含：1.2.1氢氧化镍和/或羟基氧化镍和/或这些镍化合物的衍生物作为阴极储存材料，以及1.2.2阴极集流体，1.3在所述负电极与所述正电极之间的至少一个多孔的隔离器层，所述至少一个多孔的隔离器层具有第一扁平侧和第二扁平侧，以及1.4水性碱性电解质，利用所述水性碱性电解质浸渍所述电极和所述隔离器，以及1.5壳体，所述壳体包围所述电极、所述隔离器和所述电解质，其中，1.6所述第一扁平侧包括第一区域，所述第一区域与所述负电极的所述阳极储存材料处于平面接触，并且所述第二扁平侧包括第二区域，所述第二区域与所述正电极的所述阴极储存材料处于平面接触，以及1.7所述第一区域和所述第二区域在重叠区域中至少部分重叠，其特征在于，1.8所述附加的储存材料针对所述负电极的干重以为0.1重量%到8重量%的份额包含在所述负电极中，以及1.9所述负电极的容量Kn比所述正电极的容量Kp彼此处于在为0.7:1到5:1的范围中的比例X。2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述负电极的容量Kn比所述正电极的容量Kp处于在为1:1到5:1的范围中、优选地在为1:1到2:1的范围中、特别优选地在为1:1到1.5:1的范围中的比例X。3.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于下列附加特征中的至少一个：3.1所述基于碳的储存材料是来自具有如下内容的组的至少一种材料：活性炭（AC）、活性炭纤维（AFC）、碳化物衍生碳（CDC）、碳气凝胶、石墨（石墨烯）和碳纳米管（CNT），3.2除了所述基于碳的储存材料之外，所述负电极还包含附加的储存材料作为阳极储存材料，所述附加的储存材料能够借助氧化还原反应储存电能，尤其是以为0.1重量%到8重量%的份额、优选地以为1.0重量%到3重量%的份额来包含所述附加的储存材料，3.3所述阳极储存材料以在为40重量%到95重量%的范围中的份额包含在所述负电极中，3.4所述负电极包含电极粘结剂，尤其是以为0.1重量%到30重量%的份额、优选地以0.1重量%至5重量%的份额包含所述电极粘结剂，3.5所述附加的储存材料是氢储存合金，或者是铁或氧化铁粉末，或者是氧化还原活性的化合物、如二氧化钛，3.6所述负电极作为带、作为薄的层或者作为片存在，3.7所述阳极集流体是集流器，所述集流器形成三维传导基质，所述阳极储存材料嵌入到所述三维传导基质中，所述阳极集流体尤其是导电的泡沫、导电的无纺织物、导电的毡或者导电的织物，3.8所述阳极集流体是包覆所述负电极的栅格或者网，3.9所述阳极集流体以在为5重量%到60重量%的范围中的份额包含在所述负电极中，3.10所述负电极具有在为1mAh/g到150mAh/g的范围中的比容量K1，优选地在为10mAh/g到100mAh/g的范围中的比容量K1，特别优选地在20mAh/g到60mAh/g范围中的比容量K1。4.根据上述权利要求中任一项所述的电池，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：C舒拉，E皮特利克，D恩斯林，I楚马克，
申请(专利权)人：瓦尔达微电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE