稳定的低电压电化学单体电池制造技术

提供了具有0.3V至2.0V的稳定工作电压的一次电化学单体电池，其包括耦接至阴极的Li阳极，所述阴极由单独提供的一种或多种4A、3A或5A族元素或作为与第二、第三或其它4A、3A或5A族元素或一种或多种过渡金属的合金形成。单体电池进一步包括可选具有低挥发性的非水电解质，诸如在STP下具有5mm Hg或更低的蒸气压力，以及可选地插入在阳极和阴极之间的锂离子导电和电绝缘隔板。这些单体电池提供稳定的工作电压，在一些方面可以用于为超低功率装置供电10年或更长时间，而不需要昂贵或低效的电路来改变单体电池电压。

Stable Low Voltage Electrochemical Monomer Batteries

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】稳定的低电压电化学单体电池相关申请的交叉引用本申请取决于并要求2016年11月22日提交的美国临时申请No.62/425,270和2017年1月3日提交的美国临时申请No.62/441,830以及2017年3月13日提交的美国临时申请No.62/472,820的优先权，其全部内容通过引用并入在此。
本专利技术涉及适用于需要稳定的低电压和高容量一次电池(battery)的设备或电气系统(诸如远程无线传感器或通信设备中的超低功率亚阈值电子电路)的电化学单体电池(cell)。
技术介绍
消耗低至10nW并且由在低于传统阈值电压工作的设备组装(例如，在低于正常“开启”电压的电压下被闸控的晶体管)的超低功率电子电路可以为无人值守的传感器和传感器无线网络以及无线联网的消费者、商业和商业产品提供非常长的使用寿命，因为它们只需要很少的能量。这种亚阈值电路通常在远低于1.0V的电压下工作。当使用典型的电池为这些亚阈值电路供电时，电压必须以否定电路本身的超低功耗的低效过程电子降压。因此，需要较低电压的电池来为具有最大效率和最小功耗的这种亚阈值电路供电。用于这些低压单体电池的电化学对(couple)通常需要具有小于2.0V的电压，并且更通常小于1.0V，并且更具体地小于或等于约0.7V，同时还提供高容量(例如，100mAh)用于在0.5cc或更低体积的小电池中以高达1μA的电流放电。非常希望这种低压电池在其整个工作条件范围内保持接近恒定的电压。然而，目前可用的电池具有平衡放电电压，该电压随着电池容量消耗而不可接受地降低。具有平坦、稳定的放电曲线的一些电化学单体电池是已知的，诸如表1中所示，但是除了Cd/HgO之外的所有电化学单体电池都具有用于超低功率亚阈值电子电路的不适当高的电压。使用诸如线性电压控制器或开关电源电路的电子电路，可以将这些高电压降低到有用的范围。然而，代价是低转换效率，增加体积或增加成本。虽然Cd/HgO可能具有合适的电压(低于1.0V)，但容量相对较低且所用材料具有高毒性。表1：具有相对平坦的放电曲线的说明性电化学对，其不适合于超低功率分布。因此，需要一种能够提供小于2.0V且更通常小于1.0V的稳定电压的新电化学单体电池，同时还提供在0.5cc或更低体积的小单体电池中以高达1μA的电流放电的高容量。
技术实现思路
提供以下
技术实现思路
以便于理解本公开内容特有的一些创新特征，并且不旨在作为完整描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体，可以获得对本公开的各个方面的完全理解。通过本公开中提供的电化学单体电池解决了上述需求。提供了电化学一次单体电池，其表现出0.3V至2.0V，可选地0.3V至1.5V，可选地0.3V至1.0V，或0.3V至小于1.0V的稳定工作电压，该稳定工作电压能够具有稳定的电压并且能够当配置成小于0.5立方厘米(cc)的体积时提供该稳定电压，同时还可选地提供80mAh或更高的相对高容量。本公开的目的通过将包括一种或多种4A、3A或5A族元素的阴极耦合为箔或者可选地熔合到导电基板的其它元素或合金形式来实现。其中阴极与阳极电耦合，该阳极包括Li，可选地Li金属、锂化碳、锂铝合金、锂锡合金或锂化硅。电池可包括非水电解质和可选地插入阳极和阴极之间的锂离子导电和电绝缘隔板。针对包含Li的阳极，在阴极中包含一种或多种4A、3A或5A族元素允许第一次在单体电池的使用寿命期间获得稳定电压，从而在一些方面提供足以为超低功率装置供电的能力，可选地不需要电压降压电路或其它电压调节系统。阴极可选地是单独的元素金属，诸如以箔的形式，以热的方式或以其它方式熔合到导电基板，或通过传统方法诸如包括粘合剂(和可选地，导电添加剂)粘合到导电基板上，并通过浆料涂覆到基板上。当以箔的形式时，阴极可选地基本上不含自然(native)表面氧化物，其中自然表面氧化物可选地通过物理或电化学方法去除。在一些方面，非水电解质包括锂盐和有机溶剂。电解质可选地具有在标准温度和压力下小于5mmHg以及可选地在标准温度和压力下小于0.2mmHg的蒸气压力。电解质可以是液体电解质、凝胶电解质或固体聚合物电解质。单体电池可以单独使用或者串联或并联耦合，以向相关联装置提供所需的功率。在一些方面，提供具有1.0V以下的稳定电压的电化学单体电池。在一些方面，体积单体电池容量或提供的单体电池大于100Ah/L，可选地大于500Ah/L。电化学单体电池可选地专门设计用于超低功率装置，诸如“物联网”设备。虽然在一些方面，电化学单体电池是一次电池。但是可选地，电化学单体电池是二次电池。可选地，电化学电池不是二次电池。附图说明附图中阐述的方面本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解以下对说明性方面的详细描述，在附图中：图1示出了在不同电流密度和温度下放电的Li/SnCR2025纽扣单体电池的电压，其中电流密度对应于直径为2cm、1.6cm、1.2cm和1.1cm的单体电池通过的1μA；图2示出了在指定的电流密度和温度下放电的2个重复的Li/AlCR2025纽扣单体电池的电压，其中电流密度对应于直径A)2cm，B)1.6cm，C)1.2cm和D)1.1cm的电池通过的1μA；图3示出了在环境温度下以指定的电流放电的2个Li/AlCR2025纽扣单体电池的电压，一个单体电池由按原样的Al箔制成，而另一个电池是示例2的单体电池；图4示出了在环境温度下以指定的电流放电的2个Li/AlCR2025纽扣单体电池的电压，一个单体电池由在空气中研磨的Al箔制成，而另一个单体电池是示例2的单体电池；图5示出了在环境温度下以指定的电流放电的2个Li/AlCR2025纽扣单体电池的电压，一个单体电池由涂有研磨硼粉末并在空气中压延的Al箔制成，而另一个是示例2的单体电池；图6示出了在环境温度下以指定的电流放电的3个Li/AlCR2025纽扣单体电池的电压，两个单体电池由阴极制成，该阴极包括涂覆在铜箔上并且然后在空气中压延或不压延的Al粉末，而另一个是示例2的单体电池；以及图7示出了根据在此提供的一些方面制造的相对于Li箔阳极在环境温度下以0.13mA放电的Li/SiCR2025纽扣单体电池的电压，其中阴极由涂覆在铜箔上的Si粉末组成。具体实施方式以下描述本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制本专利技术的范围、其应用或用途，当然，这些范围可以变化。该描述与在此包括的非限制性定义和术语有关。这些定义和术语不是设计用于限制本专利技术的范围或实践，而是仅出于说明性和描述性目的给出。尽管将过程或组合物描述为单个步骤的顺序或使用特定材料，但应理解，步骤或材料可以是可互换的，使得描述可包括以多种方式排列的多个部分或步骤，如本领域技术人员容易理解的。应当理解，尽管在此可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离在此的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组件”、“区域”、“层”或“部分”可以被称为第二(或其它)元件、组件、区域、层或部分。如在此所使用的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一次电化学单体电池，其具有0.3V至2.0V的稳定工作电压并且包含：阳极，其包含Li，可选地，金属锂、锂化碳、锂铝合金、锂锡合金或锂化硅；阴极，其包含4A、3A或5A族元素；非水电解质；以及可选地，锂离子导电和电绝缘隔板，其插入所述阳极和所述阴极之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.22 US 62/425,270;2017.01.03 US 62/441,830;1.一种一次电化学单体电池，其具有0.3V至2.0V的稳定工作电压并且包含：阳极，其包含Li，可选地，金属锂、锂化碳、锂铝合金、锂锡合金或锂化硅；阴极，其包含4A、3A或5A族元素；非水电解质；以及可选地，锂离子导电和电绝缘隔板，其插入所述阳极和所述阴极之间。2.根据权利要求1所述的电化学单体电池，其中，所述阴极包含4A族元素或4A族元素的合金。3.根据权利要求1所述的电化学单体电池，其中，所述阴极包含锡、铝、铟、铅、锌、锑、镉、青铜、黄铜、锡铋合金、锡锑合金、锡铜合金、锡镍合金、镓铜合金、镓铟铜合金或锡铅合金。4.根据权利要求1所述的电化学单体电池，其中，所述阴极包含锡、铝、镓、锑或包含锡、铝、镓、锑、铜或其组合的合金。5.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述电化学单体电池具有0.3V至1.5V的稳定工作电压。6.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述电化学单体电池具有0.3V至1.0V的稳定工作电压。7.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述阴极包含锡和锑的合金，所述合金中存在的所述锑为0.1-88原子％，可选地1-3原子％。8.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述锂阳极包含锂金属箔，所述电化学单体电池可选地进一步包含锡锑合金阴极。9.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述锂阳极是锂复合物，所述锂复合物包含锂粉末和涂覆在铜箔基板上的粘合剂。10.根据权利要求9所述的电化学单体电池，其中，所述粘合剂是聚合物。11.根据权利要求9所述的电化学单体电池，其中，所述粘合剂包含聚丁二烯-苯乙烯、聚异丁烯、聚异戊二烯或乙烯-丙烯二烯。12.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述阴极包含含有所述4A、3A或5A族元素的阴极金属箔。13.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述阴极金属箔包含铝。14.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述阴极金属箔包含锡。15.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述阴极金属箔包含锡和锑的合金，所述锑以0.1-88原子％，可选地1-3原子％，存在于所述合金中。16.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述阴极金属箔的厚度大于1微米，可选地大于25微米且小于1000微米。17.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述金属箔基本上不含自然表面氧化物。18.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述金属箔涂有研磨粉末和聚合物，并且然后在空气中压延。19.根据权利要求18所述的电化学单体电池，其中，所述压延压力大于10psi，可选地大于50psi，可选地大于100psi。20.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，所述金属箔涂有研磨粉末，可选地乙炔黑，可选地石墨烯，以及可选地聚合物，并且然后在空气中压延。21.根据权利要求20所述的电化学单体电池，其中，所述研磨粉末和所述乙炔黑以50-95重量％存在。22.根据权利要求20所述的电化学单体电池，其中，所述研磨粉末包含亚微米硼，并且所述聚合物是聚偏二氟乙烯。23.根据权利要求1所述的电化学单体电池，其中，阴极是包含4A、3A或5A族金属、聚合物粘合剂和涂覆在铜箔基板上并且然后在空气中压延的导电添加剂的复合物。24.根据权利要求23所述的电化学单体电池，其中，所述压延压力大于10psi，可选地大于50psi，可选地大于100psi。25.根据权利要求12所述的电化学单体电池，其中，阴极包含铟、铅、锌、锑、黄铜、青铜、镉、硅、碳、锗、铝、锡铋、锡锑、锡铜合金、锡镍、锡铅、锡硅-锡、锗锡、铌锡、锡银铜或包含这些元素的其它合金，诸如白色金属或巴氏合金，及其混合物。26.根据权利要求20所述的电化学单体电池，其中，所述聚合物粘合剂包含聚偏二氟乙烯、聚丁二烯-苯乙烯、聚异丁烯、聚异戊二烯、乙烯-丙烯二烯或聚丙烯酸。27.根据权利要求23所述的电化学单体电池，其中，所述导电添加剂是乙炔黑、石墨、石墨烯及其混合物。28.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述非水电解质具有在标准温度和压力下小于5mmHg，可选地在标准温度和压力下小于0.2mmHg的蒸气压力。29.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述非水电解质包含锂盐和有机溶剂。30.根据权利要求29所述的电化学单体电池，其中，所述锂盐包含六氟磷酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、四氟硼酸锂、碘化锂，及其混合物。31.根据权利要求29所述的电化学单体电池，其中，所述有机溶剂是极性非质子液体。32.根据权利要求31所述的电化学单体电池，其中，所述有机溶剂包含碳酸酯、醚、氟代碳酸酯、氟代烷基取代的碳酸酯、氢氟醚或氟代烷基取代的醚及其混合物。33.根据权利要求32所述的电化学单体电池，其中，所述碳酸盐包括碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸乙基甲基酯或碳酸二乙酯，及其混合物。34.根据权利要求32所述的电化学单体电池，其中，所述醚包括二乙醚、二甲氧基乙烷、二(2-甲氧基乙基)醚、二乙二醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、1,2-二氧戊环及其混合物。35.根据权利要求32所述的电化学单体电池，其中，所述氟代碳酸酯包括单氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯或其混合物。36.根据权利要求32所述的电化学单体电池，其中，所述氟代烷基取代的碳酸酯包括2,2,2-三氟乙基碳酸甲酯、2,2,2-三氟乙基碳酸乙酯，或其混合物。37.根据权利要求32所述的电化学单体电池，其中，所述氢氟醚包括2-三氟甲基-3-甲氧基全氟戊烷、2-三氟-2-氟-3-二氟丙氧基-3-二氟-4-氟-5-三氟戊烷，或其混合物。38.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述非水电解质包含离子液体和锂盐，所述离子液体包含离子液体阳离子和离子液体阴离子。39.根据权利要求38所述的电化学单体电池，其中，所述离子液体阳离子包括咪唑鎓、烷基取代的咪唑鎓、铵、吡啶鎓、吡咯烷鎓、鏻、锍结构部分、或其混合物。40.根据权利要求38所述的电化学单体电池，其中，所述离子液体阴离子包括六氟磷酸盐、双三氟甲磺酰胺、三氟甲磺酸盐、四氟硼酸盐、二氰胺、碘化物结构部分或其混合物。41.根据权利要求38所述的电化学单体电池，其中，所述离子液体是1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-己基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺、11-甲基-3-辛基咪唑鎓四氟硼酸盐，或其混合物。42.根据权利要求38所述的电化学单体电池，其中，所述锂盐包含六氟磷酸锂、双三氟甲磺酰胺锂、三氟甲磺酸锂，四氟硼酸锂、碘化锂或其混合物。43.根据权利要求38所述的电化学单体电池，其中，所述锂盐浓度以重量计为0.1-20％。44.根据权利要求1-4中任一项所述的电化学单体电池，其中，所述非水电解质和锂离子导电且电绝缘的隔板/电解质组合包含固体聚合物电解质。45.根据权利要求44所述的电化学单体电池，其中，所述固体聚合物电解质包含与锂盐络合的聚(环氧乙烷)。46.根据权利要求44所述的电化学单体电池，其中，所述锂盐包含六氟磷酸锂、双三氟甲磺酰胺锂、三氟甲磺酸锂、四氟硼酸锂、碘化锂，或其混合物。47.根据权利要求44所述的电化学单体电池，其中，所述固体聚合物电解质包含增塑添加剂。48.根据权利要求47所述的电化学单体电池，其中，所述增塑添加剂具有高于13...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·特雷格，D·奥弗，S·斯里拉穆鲁，
申请(专利权)人：坎麦克斯动力有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US