【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有导电且可变形准固体聚合物电极的形状适形的碱金属电池相关申请的交叉引用本申请要求2017年5月30日提交的美国专利申请号15/608,597和2017年5月31日提交的美国专利申请号15/610,136的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。
本专利技术总体上涉及碱金属电池领域，包括可再充电锂金属电池、钠金属电池、锂离子电池、钠离子电池、锂离子电容器和钠离子电容器。
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...
【技术保护点】
1.一种碱金属电芯，所述碱金属电芯包括：/n(a)准固体阴极，所述准固体阴极含有按体积计约30％至约95％的阴极活性材料、按体积计约5％至约40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第一电解质、和按体积计约0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170530 US 15/608,597;20170531 US 15/610,1361.一种碱金属电芯，所述碱金属电芯包括：
(a)准固体阴极，所述准固体阴极含有按体积计约30％至约95％的阴极活性材料、按体积计约5％至约40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第一电解质、和按体积计约0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10-6S/cm至约300S/cm的电导率；
(b)阳极；以及
(c)设置在所述阳极与所述准固体阴极之间的离子传导膜或多孔隔膜；其中所述准固体阴极具有不小于200μm的厚度。
2.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述阳极包括准固体阳极，所述准固体阳极含有按体积计约30％至约95％的阳极活性材料、按体积计约5％至约40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第二电解质、和按体积计约0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10-6S/cm至约300S/cm的电导率；其中所述准固体阳极具有不小于200μm的厚度。
3.一种碱金属电芯，所述碱金属电芯包括：
A)准固体阳极，所述准固体阳极含有按体积计约30％至约95％的阳极活性材料、按体积计约5％至约40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的电解质、和按体积计约0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10-6S/cm至约300S/cm的电导率；
B)阴极；以及
C)设置在所述阳极与所述准固体阴极之间的离子传导膜或多孔隔膜；其中所述准固体阴极具有不小于200μm的厚度。
4.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述第一电解质包括含有选自以下的离子传导聚合物的准固体聚合物电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
5.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质包括含有选自以下的离子传导聚合物的准固体聚合物电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
6.如权利要求3所述的碱金属电芯，其中，所述电解质是含有选自以下的离子传导聚合物的准固体电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
7.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
8.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
9.如权利要求3所述的碱金属电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
10.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述导电长丝选自碳纤维、石墨纤维、碳纳米纤维、石墨纳米纤维、碳纳米管、针状焦炭、碳晶须、导电聚合物纤维、导电材料涂覆的纤维、金属纳米线、金属纤维、金属线、石墨烯片、膨胀石墨片晶、其组合、或其与非长丝导电颗粒的组合。
11.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述离子传导聚合物不在所述准固体阴极中形成基质。
12.如权利要求3所述的碱金属电芯，其中，所述离子传导聚合物不在所述准固体阳极中形成基质。
13.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述电极保持从约10-3S/cm至约10S/cm的电导率。
14.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述导电长丝通过树脂在所述导电长丝之间的交叉点处粘合在一起。
15.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述准固体阴极含有按体积计约0.1％至约20％的导电添加剂。
16.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述准固体阴极含有按体积计约1％至约10％的导电添加剂。
17.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述活性材料的量占所述电极材料的按体积计约40％至约90％。
18.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述活性材料的量占所述电极材料的按体积计约50％至约85％。
19.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述第一电解质处于过饱和状态。
20.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质处于过饱和状态。
21.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述溶剂选自水、有机溶剂、离子液体、或有机溶剂和离子液体的混合物。
22.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质含有选自以下的溶剂：水、有机溶剂、离子液体、或有机溶剂和离子液体的混合物。
23.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是锂金属电芯、锂离子电芯、或锂离子电容器电芯并且所述阳极活性材料选自由以下组成的组：
(a)锂金属或锂金属合金的颗粒；
(b)天然石墨颗粒、人造石墨颗粒、中间相碳微球(MCMB)、碳颗粒、针状焦炭、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、和石墨纤维；
(c)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)；
(d)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；
(e)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；
(f)其预锂化型式；
(g)预锂化石墨烯片；以及
它们的组合。
24.如权利要求23所述的碱金属电芯，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。
25.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是钠金属电芯、钠离子电芯、或钠离子电容器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。
26.如权利要求2所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是钠金属电芯、钠离子电芯、或钠离子电容器并且所述阳极活性材料选自由以下组成的组：
a)钠金属或钠金属合金的颗粒；
b)天然石墨颗粒、人造石墨颗粒、中间相碳微球(MCMB)、碳颗粒、针状焦炭、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、和石墨纤维；
c)钠掺杂的硅(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；
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠合金或金属间化合物、及其混合物；
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠氧化物、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；
f)钠盐；
g)预负载有钠离子的石墨烯片；以及它们的组合。
27.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是锂金属电芯或锂离子电芯并且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：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、及其组合。
28.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是锂金属电芯或锂离子电芯并且所述阴极活性材料含有选自以下的锂插层化合物或锂吸收化合物：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。
29.如权利要求28所述的碱金属电芯，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、或其组合。
30.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
31.如权利要求28所述的碱金属电芯，其中，所述无机材料选自TiS2、TaS2、MoS2、NbSe3、MnO2、CoO2、铁氧化物、钒氧化物、或其组合。
32.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
33.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
34.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
35.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
36.如权利要求35所述的碱金属电芯，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)。
37.如权利要求28所述的碱金属电芯，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。
38.如权利要求28所述的碱金属电芯，其中，所述锂插层化合物或锂吸收化合物选自金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属二硫属化物、或其组合。
39.如权利要求28所述的碱金属电芯，其中，所述锂插层化合物或锂吸收化合物选自呈纳米线、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。
40.如权利要求28所述的碱金属电芯，其中，所述锂插层化合物或锂吸收化合物选自无机材料的纳米盘、纳米片晶、纳米涂层、或纳米片，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；其中所述盘、片晶或片具有小于100nm的厚度。
41.如权利要求1所述的碱金属电芯，其中，所述碱金属电芯是钠金属电芯或钠离子电芯并且所述阴极活性材料含有选自以下的钠插层化合物或钠吸收化合物：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。
42.如权利要求41所述的碱金属电芯，其中，所述金属氧化物/磷酸盐/硫化物选自钠钴氧化物、钠镍氧化物、钠锰氧化物、钠钒氧化物、钠混合金属氧化物、钠/钾过渡金属氧化物、磷酸铁钠、磷酸铁钠/钾、磷酸锰钠、磷酸锰钠/钾、磷酸钒钠、磷酸钒钠/钾、钠混合金属磷酸盐、过渡金属硫化物、或其组合。
43.如权利要求41所述的碱金属电芯，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。
44.如权利要求41所述的碱金属电芯，其中，所述无机材料选自TiS2、TaS2、MoS2、NbSe3、MnO2、CoO2、铁氧化物、钒氧化物、或其组合。
45.如权利要求41所述的碱金属电芯，其中，所述阴极活性材料含有选自以下的钠插层化合物：NaFePO4、Na(1-x)KxPO4、Na0.7FePO4、Na1.5VOPO4F0.5、Na3V2(PO4)3、Na3V2(PO4)2F3、Na2FePO4F、NaFeF3、...
【专利技术属性】
技术研发人员：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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