用于稳定的高温二次电池的系统和方法技术方案

一种用于高温、高能量密度的二次电池的系统，该系统包括含有离子液体溶剂和电解质盐的电解质；金属阳极；与该电解质相容并包含活性材料和聚酰亚胺粘结剂的阴极；以及分隔该阴极和阳极的隔膜部件。

System and method for stable high temperature secondary battery

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于稳定的高温二次电池的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年2月24日提交的美国临时申请号62/463,194的权益，该申请通过此援引以其全文并入。政府权利本专利技术是在合作研究和开发协议(CooperativeResearchandDevelopmentAgreement)号FP00003662的政府支持下与加利福尼亚大学欧内斯特奥兰多劳伦斯伯克利国家实验室的董事会董事(RegentsoftheUniversityofCaliforniaErnestOrlandoLawrenceBerkeleyNationalLaboratory)在其美国能源部号DE-AC02-5CH11231下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术总体上涉及可再充电电池领域，并且更具体地涉及一种用于稳定的高能量可再充电电池的新的且有用的系统和方法。
技术介绍
电池用于各种行业中，诸如消费电子产品、电动车辆、随钻测量/测井、航空航天、医疗设备、便携式电力设备、军事、石油和天然气等。已知电池在室温下操作时达到最佳性能，但在高温下电池变得不稳定且危险，并且充电和放电效率低。虽然具有挑战性，但在恶劣环境中的电池操作对于包括汽车、石油和天然气、军事和医疗设备在内的各种行业至关重要。一般来讲，可商购获得的可再充电电池在高于70℃不能安全且可靠地运行。此外，它们不提供在诸如石油和天然气钻探器械等的特定市场中使用的高能量密度。因此，在可再充电电池领域中需要创造一种用于稳定的高能量可再充电电池的新的且有用的系统和方法。本专利技术提供了此种新的且有用的系统和方法。附图说明图1是作为卷绕型电芯(spiral-woundcell)电池的系统的示意图；图2是该系统的示例性实现方式的横截面图；图3是作为纽扣电芯电池的系统的示意图；图4是作为袋状电芯电池的系统的示意图；图5是比较在高温下的可变盐浓度的电池性能的图表；图6是示出具有双层隔膜的系统的示例性实现方式的横截面图；图7是比较在高温下的不同粘结剂的电池性能的图表；图8是高温电池壳体的详细示意图；并且图9是电池充电系统的示意图。具体实施方式以下对本专利技术的实施例的描述并非旨在将本专利技术限制于这些实施例，而是使本领域的技术人员能够制造和使用本专利技术。概述如图1所示并且更一般地如图2所示，优选实施例的高温、高能量密度二次电池的系统可以包括电解质100，该电解质包括离子液体溶剂110、锂盐120、和稳定盐130；金属阳极200；与电解质相容的金属氧化物阴极300；以及分隔阴极和阳极的至少一个隔膜400。优选地，阴极包含聚酰亚胺粘结剂310。在此，对电池的提及可以描述整个系统或其中该系统是子部件的设备。该系统可以另外包括电池壳体500、用作多电芯电池内的电芯的多个电池单位、和/或任何适合的电池部件。该系统可以另外包括充电器系统600。充电器系统600与电池组合可以为电池提供特定的再充电能力。该系统可以另外包括集成或耦合的电气设备，其中电池可以适用于诸如井或采矿测量和测井设备、钻探设备、一个医疗设备、多个医疗设备(例如，电气医疗设备植入物)、航空航天、可穿戴设备、和/或其他适合的应用。该系统优选地利用可用于启用非挥发性的且不可燃的电池的一组相容部件。在此所述的许多部件提供高热稳定性(例如，高达250℃下稳定)，并且使用这些部件的电池可以特别适用于在高温下使用电池的情况。对于电池的高温可被认为是高于50℃的温度，但许多实现方式可以适用于高于100℃、150℃、并且甚至大于180℃的温度。作为更具体的描述，电池的高性能可以来自宽电化学窗口与独特的化学特性结合，该宽电化学窗口使得即使在高温下也能够使用高电压(在完全充电状态下相对于锂大于4V)阴极材料，该独特的化学特性使得能量密集的金属阳极稳定化。总之，精心挑选的电池部件与电解质之间的协同效应可以产生具有在高温下安全地输送高能量密度和比能量的潜力的独特电池，并且呈如本申请人发现的可再充电构型。在一种实现方式中，该系统可以使得电池能够在高达至少160℃的温度下以3.7V的平均电压运行，从而在DD形式电芯(电芯体积约100立方厘米)中提供80Wh。另外，这种示例性电池可以是基本上不可燃的且可再充电的。电池可以替代性地具有其他适合的操作特性。作为一个潜在的益处，该系统的电池可以包含在高温(高达和/或高于160℃)下稳定且起作用的部件。这可以使电池在诸如石油和天然气钻探器械等的特定市场中是可操作的且安全的，其中电池必须承受极热。除了高温使用之外，另一个潜在的益处可以是该系统的电池可以在高温下稳定并且可再充电。该电池可以提供高温稳定性和可再充电特征的独特组合，同时提供与其他技术相当或更好的能量特性。这些品质有可能极大地有益于军事应用、钻探应用、和/或其他适合的应用。作为另一个潜在的益处，该系统的电池可以由不可燃的且总体上安全的部件产生。安全电池可能在其中人或敏感器械易受电池问题影响的私营部门和医疗应用中具有特定应用。目前风险太大而无法长时间使用或由人长时间携带的高能量医疗设备可以由于这种电池而变得更加安全。类似地，在像井下钻探等的电池故障阈值低的情况下使用可再充电电池可以类似地变得更加安全。作为另一个潜在的益处，可以使用与目前在其他相当的电池总体上缺乏该系统的许多特征(例如，可再充电性、安全性、稳定性等)的情况下使用的其他电池选项相比提供显著的成本节约的材料和方法来生产系统的电池。成本节约的一个实例可以是，其中在DD形式电芯中的电池的实现方式每次放电的成本范围为10-20美元，其中在DD形式电芯中的相当的电池(诸如锂亚硫酰氯电池或锂一氟化碳电池)每次放电可能花费30-40美元之间。作为另一个潜在的益处，与其他电池技术相比，该系统可以提供低重量和体积分布。这可能导致创造迄今为止不可行的新医疗设备。脊髓的神经刺激器和植入的除颤器就是这类实例。该系统特别适用于高度仪表化的且耗电的井下钻机和探头中的使用案例。在这种使用案例中，安全性和稳定性非常重要。短路、电降解、机械降解、热降解、和/或过热引起的爆炸可能导致这类井下作业的显著复杂化。该系统和方法可以为电动车辆提供适用性，其中由于当前电池缺乏足够的电力以及缺乏便携性而导致的里程焦虑使得长程旅行变得困难。该系统还可以在个人电子产品中提供大的市场适用性，其中稳定性是主要因素。此外，具有稳定性的电池的长期放电可能对军事用途特别感兴趣。航空航天行业还可以潜在地从耐温、稳定、且持久的电池中获得益处。优选实施例的电池包括内部电池部件和外部部件。内部电池部件提供电化学过程，从而使得能够再充电和放电。外部部件或壳体部件可以用于包装并固定内部电池部件。电池的内部构件可以包括惰性部件(例如，隔膜、箔、插片等)和活性部件(例如，金属氧化物阴极和金属阳极)。优选地，电池包括阳极子部件和阴极子部件，其中阳极子部件和阴极子部件被隔膜400分开。电池的内部空间，位于阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高温、高能量密度的二次电池的系统，该系统包括：/n·包含离子液体溶剂和电解质盐的电解质；/n·金属阳极；/n·与该电解质相容并包含活性材料和聚酰亚胺粘结剂的阴极；以及/n·分隔该阴极和阳极的隔膜部件。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170224 US 62/463,1941.一种用于高温、高能量密度的二次电池的系统，该系统包括：
·包含离子液体溶剂和电解质盐的电解质；
·金属阳极；
·与该电解质相容并包含活性材料和聚酰亚胺粘结剂的阴极；以及
·分隔该阴极和阳极的隔膜部件。


2.如权利要求1所述的系统，其中，该电解质盐是锂盐，其浓度大于该电解质的按重量计10％。


3.如权利要求2所述的系统，其中，该锂盐是双(三氟甲磺酰)亚胺锂。


4.如权利要求1所述的系统，其中，该离子液体溶剂是基于双(三氟甲磺酰)亚胺的离子液体溶剂。


5.如权利要求4所述的系统，其中，该基于双(三氟甲磺酰)亚胺的离子液体溶剂是1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰)亚胺。


6.如权利要求1所述的系统，其中，该金属阳极是锂金属阳极。


7.如权利要求1所述的系统，其中，该活性材料可逆地嵌入锂离子；并且其中，该阴极进一步包含至少一种基于碳的导电添加剂。


8.如权利要求1所述的系统，其中，该金属阳极是锂镁合金阳极。


9.如权利要求1所述的系统，其中，该隔膜是陶瓷涂覆的聚丙烯隔膜。


10.如权利要求1所述的系统，其中，该隔膜是具有至少两种隔膜材料的复合隔膜。


11.如权利要求10所述的系统，其中，该复合隔膜包括与该阴极相邻的聚酰亚胺层和与该阳极相邻的陶瓷涂覆的聚丙烯层。


12.如权利要求1所述的系统，该系统进一步包括高温电池壳体。


13.如权利要求12所述的系统，其中，该高温...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇凡，毛罗·帕斯塔，奥利维亚·里塞，陈建帆，
申请(专利权)人：库伯格股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US