【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】卷绕式碱金属电池和生产方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年5月8日提交的美国专利申请号15/589,629和2017年11月20日提交的美国专利申请号15/817,942的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。
本申请涉及锂电池、钠电池、和钾电池领域，包括具有给予高能量密度和高功率密度的新的结构和几何形状的一次(不可再充电)和二次(可再充电)碱金属电池和碱离子电池。
技术介绍
历史上，当今最受欢迎的可再充电能量储存装置-锂离子电池-实际上是从使用锂(Li)金属或Li合金作为阳极以及Li插层化合物作为阴极的可再充电“锂金属电池”发展而来的。Li金属由于它的轻重量(最轻的金属)、高电负性(相对于标准氢电极为-3.04V)、以及高理论容量(3,860mAh/g)，是理想的阳极材料。基于这些出色的特性，40年前提出了锂金属电池作为高能量密度应用的理想体系。在1980年代中期，开发了若干种可再充电Li金属电池的原型。值得注意的例子是由MOLI能源公司(MOLIEnergy,Inc.)(加拿大)开发的由Li金属阳极和硫化钼阴极构成的电池。由于在每个随后的再充电循环过程中金属被重新电镀时Li生长急剧不均匀(形成Li枝晶)引起的一系列安全问题，放弃了来自不同制造商的这种电池和若干种其他电池。随着循环次数的增加，这些树枝状或树状Li结构最终可能穿过隔膜到达阴极，造成内部短路。为了克服这些安全问题，提出了若干种替代方法，其中电解质或阳极被改良。一种方法涉及用石墨(另一种Li插入材料)替代Li金属作为阳极。这种电...
【技术保护点】
1.一种卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属选自Li、Na、K、或其组合；所述电池包括：阳极、阴极、电子地分离所述阳极和所述阴极的碱金属离子传导隔膜、和与所述阳极和所述阴极呈离子接触的含碱金属离子电解质，其中所述阳极含有具有阳极卷长度、阳极卷宽度和阳极卷厚度的阳极活性材料缠绕卷并且/或者所述阴极含有具有阴极卷长度、阴极卷宽度和阴极卷厚度的阴极活性材料缠绕卷，并且其中所述阳极卷宽度和/或所述阴极卷宽度基本上垂直于所述隔膜。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170508 US 15/589,629;20171120 US 15/817,9421.一种卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属选自Li、Na、K、或其组合；所述电池包括：阳极、阴极、电子地分离所述阳极和所述阴极的碱金属离子传导隔膜、和与所述阳极和所述阴极呈离子接触的含碱金属离子电解质，其中所述阳极含有具有阳极卷长度、阳极卷宽度和阳极卷厚度的阳极活性材料缠绕卷并且/或者所述阴极含有具有阴极卷长度、阴极卷宽度和阴极卷厚度的阴极活性材料缠绕卷，并且其中所述阳极卷宽度和/或所述阴极卷宽度基本上垂直于所述隔膜。
2.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，所述卷绕式碱金属电池进一步含有连接到所述阳极或与所述阳极一体化的阳极接片和连接到所述阴极或与所述阴极一体化的阴极接片。
3.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，所述卷绕式碱金属电池进一步包括将所述阳极、所述阴极、所述隔膜、和所述电解质包封于其中以形成密封电池的壳体。
4.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阳极活性材料缠绕卷含有(a)具有两个主表面的负载型实心基材的层，其中一个或两个所述主表面涂覆有所述阳极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂；或(b)具有孔的负载型多孔基材的层，所述孔浸渍有所述阳极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂。
5.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阴极活性材料缠绕卷含有(a)具有两个主表面的负载型实心基材的层，其中一个或两个所述主表面涂覆有所述阴极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂；或(b)具有孔的负载型多孔基材的层，所述孔浸渍有所述阴极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂。
6.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属电池是锂金属电池、钠金属电池、或钾金属电池，并且所述阳极含有由实心或多孔负载型基材负载或涂覆在所述实心或多孔负载型基材上的Li、Na或K金属的箔或涂层。
7.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属电池是锂离子电池并且所述阳极活性材料选自由以下组成的组：
(a)天然石墨、人造石墨、中间相碳微球(MCMB)、针状焦炭、碳颗粒、碳纤维、碳纳米管、和碳纳米纤维的颗粒；
(b)硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、钛(Ti)、铁(Fe)、和镉(Cd)；
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al或Cd与其他元素的合金或金属间化合物，其中所述合金或化合物是化学计量的或非化学计量的；
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn或Cd的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物和碲化物、及其混合物或复合物；
(e)其预锂化型式；
(f)预锂化石墨烯片；以及
它们的组合。
8.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属电池是钠离子电池并且所述阳极活性材料含有选自以下的碱插层化合物：石油焦炭、炭黑、无定形碳、活性炭、硬碳、软碳、模板碳、空心碳纳米线、空心碳球、钛酸盐、NaTi2(PO4)3、Na2Ti3O7、Na2C8H4O4、Na2TP、NaxTiO2(x＝0.2至1.0)、Na2C8H4O4、基于羧酸盐的材料、C8H4Na2O4、C8H6O4、C8H5NaO4、C8Na2F4O4、C10H2Na4O8、C14H4O6、C14H4Na4O8、或其组合。
9.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属电池是钠离子电池并且所述阳极活性材料含有选自以下材料组的碱插层化合物：
(a)钠或钾掺杂的硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、镉(Cd)、及其混合物；
(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠或含钾的合金或金属间化合物、及其混合物；
(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠或含钾氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物、碲化物、或锑化物、及其混合物或复合物；
(d)钠盐或钾盐；以及
(e)预负载有钠或钾的石墨烯片。
10.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阴极活性材料含有选自由以下组成的组的锂插层化合物或锂吸收化合物：锂钴氧化物、掺杂的锂钴氧化物、锂镍氧化物、掺杂的锂镍氧化物、锂锰氧化物、掺杂的锂锰氧化物、锂钒氧化物、掺杂的锂钒氧化物、锂混合金属氧化物、磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸锰锂、锂混合金属磷酸盐、金属硫化物、金属氟化物、金属氯化物、及其组合。
11.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阴极活性材料含有选自以下的钠插层化合物或钾插层化合物：NaFePO4、Na(1-x)KxPO4、KFePO4、Na0.7FePO4、Na1.5VOPO4F0.5、Na3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)2F3、Na2FePO4F、NaFeF3、NaVPO4F、KVPO4F、Na3V2(PO4)2F3、Na1.5VOPO4F0.5、Na3V2(PO4)3、NaV6O15、NaxVO2、Na0.33V2O5、NaxCoO2、Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2、Nax(Fe1/2Mn1/2)O2、NaxMnO2、λ-MnO2、NaxK(1-x)MnO2、Na0.44MnO2、Na0.44MnO2/C、Na4Mn9O18、NaFe2Mn(PO4)3、Na2Ti3O7、Ni1/3Mn1/3Co1/3O2、Cu0.56Ni0.44HCF、NiHCF、NaxMnO2、NaCrO2、KCrO2、Na3Ti2(PO4)3、NiCo2O4、Ni3S2/FeS2、Sb2O4、Na4Fe(CN)6/C、NaV1-xCrxPO4F、SezSy，y/z＝0.01至100、Se、多硫化钠、硫、磷锰钠石、或其组合，其中x为从0.1至1.0。
12.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述电解质含有溶解在液体溶剂和/或聚合物中的锂盐或钠盐，并且其中所述液体溶剂是水、有机溶剂、离子液体、或有机溶剂和离子液体的混合物。
13.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阳极活性材料卷具有不小于500μm的宽度，所述阳极活性材料具有不小于25mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少25％，并且/或者所述阴极活性材料在所述阴极中具有对于有机或聚合物材料不小于20mg/cm2或对于无机和非聚合物材料不小于40mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少40％。
14.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阳极活性材料卷具有不小于1000μm或1mm的宽度，并且/或者所述阳极活性材料具有不小于30mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少30％，并且/或者所述阴极活性材料在所述阴极中具有对于有机或聚合物材料不小于25mg/cm2或对于无机和非聚合物材料不小于50mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少50％。
15.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阳极活性材料卷具有不小于5mm的宽度，并且/或者所述阳极活性材料具有不小于35mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少35％，并且/或者所述阴极活性材料在所述阴极中具有对于有机或聚合物材料不小于30mg/cm2或对于无机和非聚合物材料不小于55mg/cm2的质量负载量和/或按重量计或按体积计占整个电池电芯的至少55％。
16.如权利要求4所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述负载型多孔基材的层包括选自以下的导电多孔层：金属泡沫、金属网或丝网、基于穿孔金属片的结构、金属纤维毡、金属纳米线毡、导电聚合物纳米纤维毡、导电聚合物泡沫、导电聚合物涂覆的纤维泡沫、碳泡沫、石墨泡沫、碳气凝胶、碳干凝胶、石墨烯泡沫、氧化石墨烯泡沫、还原氧化石墨烯泡沫、碳纤维泡沫、石墨纤维泡沫、膨化石墨泡沫、或其组合。
17.如权利要求5所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述负载型多孔基材的层包括选自以下的导电多孔层：金属泡沫、金属网或丝网、基于穿孔金属片的结构、金属纤维毡、金属纳米线毡、导电聚合物纳米纤维毡、导电聚合物泡沫、导电聚合物涂覆的纤维泡沫、碳泡沫、石墨泡沫、碳气凝胶、碳干凝胶、石墨烯泡沫、氧化石墨烯泡沫、还原氧化石墨烯泡沫、碳纤维泡沫、石墨纤维泡沫、膨化石墨泡沫、或其组合。
18.如权利要求7所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述预锂化石墨烯片选自原生石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯氟化物、石墨烯氯化物、石墨烯溴化物、石墨烯碘化物、氢化石墨烯、氮化石墨烯、硼掺杂石墨烯、氮掺杂石墨烯、化学官能化石墨烯、其物理或化学活化或蚀刻型式、或其组合的预锂化型式。
19.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阴极活性材料包括选自以下的碱金属插层化合物或碱金属吸收化合物：无机材料、有机或聚合物材料、金属氧化物/磷酸盐/硫化物、或其组合。
20.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述金属氧化物/磷酸盐/硫化物选自锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂钒氧化物、锂混合金属氧化物、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、锂混合金属磷酸盐、过渡金属硫化物、过渡金属氟化物、过渡金属氯化物、或其组合。
21.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述无机材料选自硫、硫化合物、多硫化锂、过渡金属二硫属化物、过渡金属三硫属化物、或其组合。
22.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述无机材料选自TiS2、TaS2、MoS2、NbSe3、MnO2、CoO2、氧化铁、钒氧化物、或其组合。
23.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述金属氧化物/磷酸盐/硫化物含有选自由以下组成的组的钒氧化物：VO2、LixVO2、V2O5、LixV2O5、V3O8、LixV3O8、LixV3O7、V4O9、LixV4O9、V6O13、LixV6O13、其掺杂型式、其衍生物、及其组合，其中0.1<x<5。
24.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述金属氧化物/磷酸盐/硫化物选自层状化合物LiMO2、尖晶石型化合物LiM2O4、橄榄石型化合物LiMPO4、硅酸盐化合物Li2MSiO4、羟磷锂铁石化合物LiMPO4F、硼酸盐化合物LiMBO3、或其组合，其中M为过渡金属或多种过渡金属的混合物。
25.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述无机材料选自：(a)硒化铋或碲化铋，(b)过渡金属的二硫属化物或三硫属化物，(c)铌、锆、钼、铪、钽、钨、钛、钴、锰、铁、镍、或过渡金属的硫化物、硒化物、或碲化物；(d)氮化硼，或(e)其组合。
26.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述有机材料或聚合物材料选自聚(蒽醌硫醚)(PAQS)、碳氧化锂、3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA)、聚(蒽醌硫醚)、芘4,5,9,10-四酮(PYT)、聚合物键合型PYT、醌(三氮烯)、氧化还原活性有机材料、四氰基醌二甲烷(TCNQ)、四氰基乙烯(TCNE)、2,3,6,7,10,11-六甲氧基三亚苯(HMTP)、聚(5-氨基-1,4-二羟基蒽醌)(PADAQ)、磷腈二硫化物聚合物([(NPS2)3]n)、锂化的1,4,5,8-萘四醇甲醛聚合物、六氮杂联三萘(HATN)、六氮杂三亚苯六腈(HAT(CN)6)、5-亚苄基乙内酰脲、靛红锂盐、均苯四酸二酰亚胺锂盐、四羟基-对-苯醌衍生物(THQLi4)、N,N'-二苯基-2,3,5,6-四酮哌嗪(PHP)、N,N'-二烯丙基-2,3,5,6-四酮哌嗪(AP)、N,N'-二丙基-2,3,5,6-四酮哌嗪(PRP)、硫醚聚合物、醌化合物、1,4-苯醌、5,7,12,14-并五苯四酮(PT)、5-氨基-2,3-二氢-1,4-二羟基蒽醌(ADDAQ)、5-氨基-1,4-二羟基蒽醌(ADAQ)、醌型杯芳烃、Li4C6O6、Li2C6O6、Li6C6O6、或其组合。
27.如权利要求26所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述硫醚聚合物选自聚[甲烷三硝基苯甲硝胺-四(硫代亚甲基)](PMTTM)、聚(2,4-二硫代戊烯)(PDTP)、含有聚(乙烯-1,1,2,2-四硫醇)(PETT)作为主链硫醚聚合物的聚合物、具有由共轭芳香族部分组成的主链并且具有硫醚侧链作为侧链的侧链硫醚聚合物、聚(2-苯基-1,3-二硫戊环)(PPDT)、聚(1,4-二(1,3-二硫戊环-2-基)苯)(PDDTB)、聚(四氢苯并二噻吩)(PTHBDT)、聚[1,2,4,5-四(丙硫基)苯](PTKPTB)、或聚[3,4(亚乙基二硫代)噻吩](PEDTT)。
28.如权利要求19所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述有机材料含有选自以下的酞菁化合物：酞菁铜、酞菁锌、酞菁锡、酞菁铁、酞菁铅、酞菁镍、酞菁氧钒、酞菁氟铬、酞菁镁、酞菁锰、酞菁二锂、酞菁氯化铝、酞菁镉、酞菁氯镓、酞菁钴、酞菁银、无金属酞菁、其化学衍生物、或其组合。
29.如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池，其中，所述阴极活性材料含有选自以下的碱金属插层化合物或碱金属吸收化合物：呈厚度或直径小于100nm的纳米线、纳米盘、纳米带、或纳米片晶形式的铌、锆、钼、铪、钽、钨、钛、钒、铬、钴、锰、铁或镍的氧化物、二硫属化物、三硫属化物、硫化物、硒化物或碲化物。
30.一种电池，所述电池含有内部串联连接的多个如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池。
31.一种电池，所述电池含有内部并联连接的多个如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池。
32.一种用于生产如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池的方法，所述方法包括：
(a)通过卷绕或缠绕涂覆有或浸渍有阳极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂的实心或多孔负载型基材的层来制备阳极卷；
(b)通过卷绕或缠绕涂覆有或浸渍有阴极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂的实心或多孔负载型基材的层来制备阴极卷；
(c)将所述阳极卷、所述阴极卷和所述阳极卷与所述阴极卷之间的碱金属离子传导隔膜层以下述方式排列和包装以形成电池组件，所述方式使得所述阳极卷宽度和/或所述阴极卷宽度方向基本上垂直于所述隔膜平面；并且
(d)在将所述电池组件插入到保护壳体中以形成所述卷绕式碱金属电池之前或之后将电解质浸渍到所述电池组件中。
33.一种用于生产如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池的方法，所述方法包括：(a)制备阳极，所述阳极含有阳极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂；(b)通过卷绕或缠绕涂覆有或浸渍有阴极活性材料、任选的导电添加剂、和任选的粘合剂的实心或多孔负载型基材的层来制备阴极卷；(c)将所述阳极、所述阴极卷和所述阳极与所述阴极卷之间的碱金属离子传导隔膜层以下述方式排列和包装以形成电池组件，所述方式使得所述阴极卷宽度方向基本上垂直于所述隔膜平面；并且(d)在将所述电池组件插入到保护壳体中以形成所述卷绕式碱金属电池之前或之后将电解质浸渍到所述电池组件中。
34.一种用于生产如权利要求1所述的卷绕式碱金属电池的方法，所述方法包括：(a)通过卷绕或缠绕浸渍有阳极活性材料、任选的导电添加剂、和第一电解质的多孔负载型基材的层来制备阳极卷；(b)通过卷绕或缠绕浸渍有阴极活性材料、任选的导电添加剂、和第二电解质的多孔负载型基材的层来制备阴极卷；(c)将所述阳极卷、所述阴极卷和所述阳极卷与所述阴极卷之间的碱金属离子传导隔膜以下述方式排列在一起以形成电池组件，所述方式使得所述阳极卷宽度和/或所述阴极卷宽度方向基本上垂直于所述隔膜平面；并且(d)将所述电池组件密封在保护壳体中以形成所述卷绕式电池。
35.一种卷绕式碱金属电池，其中，所述碱金属选自Li、Na、K、或其组合；所述电池包括：具有阳极活性材料的阳极、阴极、和与所述阳极和所述阴极呈离子接触的隔膜-电解质层，所述隔膜-电解质层包括单独的第一电解质或第一电解质-多孔隔膜组件，其中所述阴极含有以下项的层压缠绕阴极卷：(i)分散在液体或凝胶电解质中的所述阴极活性材料和任选的粘合剂的至少一个离散层、(ii)导电材料的至少一个离散层、和任选地，(iii)第二电解质的至少一个层，其中所述层压缠绕阴极卷具有阴极卷长度、阴极卷宽度、和阴极卷厚度并且所述阴极卷宽度基本上垂直于所述隔膜-电解质层，并且其中所述第一电解质、所述液体或凝胶电解质、和所述任选的第二电解质的组成是相同的或不同的。
36.如权利要求35所述的卷绕式碱金属电池，所述卷绕式碱金属电池进一步含有...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘玨，阿茹娜·扎姆，张博增，
申请(专利权)人：纳米技术仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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