具有高电压阴极的电化学电池制造技术

本公开提供了可再充电的电化学电池，其包括电解质侧、阴极侧和聚合物/增塑剂。所述电解质侧包括固态玻璃电解质和阳极，所述固态玻璃电解质包含电解质可迁移阳离子和电偶极子，并且所述阳极包含电解质可迁移阳离子的金属并在阳极：固体玻璃电解质界面处与固体玻璃电解质接触。阴极侧包括的阴极，该阴极含有阴极活性材料，可逆地提取/插入所述阴极活性材料中。阴极活性材料相对于锂(Li)金属的电压为3V至15V。聚合物/增塑剂在固体玻璃电解质：聚合物/增塑剂界面处与固体玻璃电解质接触，并在聚合物/增塑剂：阴极界面处与阴极接触，从而在电化学电池的充电和放电期间，将阴极客体阳离子限制在阴极侧，并且将电解质可迁移阳离子限制在阳极侧。

Electrochemical cell with high voltage cathode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高电压阴极的电化学电池优先权声明本申请根据35U.S.C.§119(e)的规定要求2017年4月3日提交的美国临时专利申请序列号62,481,015的优先权，该申请内容通过引用全文纳入本文。
本公开涉及一种可再充电电化学电池，其中，电解质包括串联的两个电介质电子绝缘体，并且阴极可以是高电压阴极。本公开还涉及使用这些电化学电压的装置，例如可再充电电池组(battery)和超级电容器。
技术介绍
电化学电池具有两个电极，被电解质隔开的阳极和阴极。电化学电池可以具有多种功能，包括用作电池组电池、电容器电池或燃料电池。电化学电池通常具有两个电极，即阳极和阴极，其是良好的电子导体，并且将电能储存为电池组电池中的化学能以及电容器电池中的表面静电能。催化电极将燃料的化学能转化为燃料电池中的电能。电化学电池还含有电解质，该电解质以串联方式位于阳极和阴极之间。在电化学电池的充电或放电期间，两个电极之间的反应涉及电化学电池内正电荷在两个电极之间输送。在充电和放电期间，负电荷作为电子电流在外部电路中传输。电解质是电子绝缘体，所以，负电荷被迫通过外部电路传输；其不能通过电解质在内部传输。在传统可再充电电化学电池组电池中，两个电极都是电解质的可迁移阳离子(通常称为工作离子)的来源和库(sink)。在充电期间、一个电极用作工作离子的来源，并且另一电极用作库(sink)；在放电期间，这些功能在放电过程中则颠倒过来。在传统电化学电容器电池中，静电能(electrostaticpower)作为电能储存在两个电极:电解质界面的两个双电层电容器中。
技术实现思路
本公开提供了可再充电的电化学电池，其包括电解质侧、阴极侧和聚合物/增塑剂。所述电解质侧包括固态玻璃电解质和阳极，所述固态玻璃电解质包含电解质可迁移阳离子和电偶极子，并且所述阳极包含电解质可迁移阳离子的金属并在阳极：固体玻璃电解质界面处与固体玻璃电解质接触。阴极侧包括阴极，该阴极含有阴极活性材料，阴极客体阳离子可逆地提取/插入所述阴极活性材料。阴极活性材料相对于锂(Li)金属的电压为3V至15V。聚合物/增塑剂在固体玻璃电解质：聚合物/增塑剂界面处与固体玻璃电解质接触，并在聚合物/增塑剂：阴极界面处与阴极接触，从而在电化学电池的充电和放电期间，将阴极客体阳离子限制在阴极侧，并且将电解质可迁移阳离子限制在阳极侧。上述电化学电池还可以具有以下一个或多个附加特征，除非明确相互排除，否则所述附加特征可以以任意和所有可能的组合方式彼此组合：i-i)电解质可迁移阳离子和阴极客体阳离子可以是相同类型的阳离子；i-ii)电解质可迁移阳离子和阴极客体阳离子可以是不同类型的阳离子；ii)聚合物/增塑剂可以包括可迁移离子；ii-a)聚合物/增塑剂中的可迁移阳离子可以是与电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者两者相同类型的阳离子；ii-b)聚合物/增塑剂中的可迁移阳离子可以是与电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者两者不同类型的阳离子；ii-c)聚合物/增塑剂可以包括聚合物或增塑剂，并且聚合物或增塑剂与可迁移阳离子的摩尔比可以为10:1至50:1；ii-d)可迁移阳离子可以由聚合物/增塑剂中的LiClO4提供；iii)聚合物/增塑剂可以包括介电常数为50至24,000的材料；iv)聚合物/增塑剂可以包括-C≡N末端基团；iv-a)聚合物/增塑剂可以包括琥珀腈；v)聚合物/增塑剂可以包括电偶极子；vi)电化学电池可以包括在阴极:阴极集电器界面处与阴极接触的阴极集电器；vi-a)在电化学电池充电/放电循环期间，电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者两者可以沿阳极或阴极集电器方向移动平均不超过阳极:固体玻璃电解质界面和阴极:阴极集电器界面之间距离的1/10,000；vii)阳极中的金属可以包括：Li金属、钠(Na)金属、钾(K)金属、铝(Al)金属、镁(Mg)金属、或它们的合金；viii)电解质可迁移阳离子可以包括：锂离子(Li+)、钠离子(Na+)、钾离子(K+)、铝离子(Al3+)、或镁离子(Mg2+)；ix)阴极活性材料可以包括层状氧化物、尖晶石、或橄榄石；x)阴极客体可迁移阳离子可以包括：锂离子(Li+)、钠离子(Na+)、钾离子(K+)、铝离子(Al3+)、或镁离子(Mg2+)；xi)阴极可以包括元素碳(C)；xii)固体玻璃电解质的电偶极子可以包括通式为A2X或AX-、或者MgX或Al2X3的材料，其中，A是Li、Na或K，并且X是氧(O)、硫(S)或其组合；xiii)固体玻璃电解质可以包括偶极添加剂；xiv)固体玻璃电解质的相对介电常数(εr)可以为102至105；xv)固体玻璃电解质在25℃下的离子传导率(σi)可以为10-2S/cm至10-3S/cm；xvi)可再充电电化学电池在25℃下的比容量可以为2500mAh/g阴极活性材料至5000mAh/g阴极活性材料；xvii)可再充电电化学电池的比电容在1至20,000个充电/放电循环之间持续增加。本公开还提供了电池组(battery)，其包括至少一个如上所述电化学电池或者至少两个如上所述的电化学电池。这些电池组可以用于为全电动或混合动力汽车提供动力，为手持式工具或电子设备提供动力，为船或潜艇提供动力、为无人机、飞机或其它飞行玩具或交通工具提供动力，用于以固定储存方式将电能储存在家庭、企业、医院和/或电网中，或用于存储由太阳辐照、风、波浪、水力发电和/或核能所产生的电能。上述电化学电池和电池组还可以与本说明书或附图中所述的任意其它特征组合，除非明确相互排斥，否则这些特征可以彼此组合。附图简要说明为了更完整地理解本公开及其特征和优点，现在结合附图参考以下描述，这些附图显示了本公开的实例，并且除非明确相互排斥，否则可以彼此组合以及与本公开所有其它所写或所显示部分组合。图1是在放电时本公开的电化学电池的横截面示意图。图2是在放电时本公开的电化学电池的固体玻璃电解质、聚合物/增塑剂、阴极活性材料颗粒、碳颗粒和集电器的横截面示意图。图3是包含纤维素的固体玻璃电解质的示意图。图4是包含本公开固体玻璃电解质的纽扣电池的分解示意图。图5是显示三个电化学电池的组合奈奎斯特曲线的图。根据本公开，一个电化学电池含有固体玻璃电解质和聚合物/增塑剂(标为“具有玻璃电解质和增塑剂”)。一个电化学电池含有液体玻璃电解质和聚合物/增塑剂(标为“具有增塑剂、1MLiPF6(以v/v计，EC/DEC1:1)”)。剩下的电化学电池含有液体玻璃电解质，并且不含聚合物/增塑剂(标为“具有1MLiPF6(以v/v计，EC/DEC1:1)”)。图6A是在含有液体电解质但不含聚合物/增塑剂的电化学电池中所示循环次数的充电/放电电压与电化学电池容量的函数关系图。图6B是在含有液体电解质其不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可再充电的电化学电池，其包括：/n电解质侧，其包括：/n固体玻璃电解质，其包含电解质可迁移阳离子和电偶极子；以及/n阳极，其包含电解质可迁移阳离子的金属并且在阳极:固体玻璃电解质界面处与固体玻璃电解质接触；/n阴极侧，其包括阴极，该阴极含有阴极活性材料，阴极客体阳离子可逆地提取/插入所述阴极活性材料中，阴极活性材料相对于锂(Li)金属的电压为3V至15V；以及/n聚合物/增塑剂，其在固体玻璃电解质:聚合物/增塑剂界面处与固体玻璃电解质接触，并在聚合物/增塑剂:阴极界面处与阴极接触，从而在电化学电池的充电和放电期间，将阴极客体阳离子限制在阴极侧，并且将电解质可迁移阳离子限制在阳极侧。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170403 US 62/481,0151.一种可再充电的电化学电池，其包括：
电解质侧，其包括：
固体玻璃电解质，其包含电解质可迁移阳离子和电偶极子；以及
阳极，其包含电解质可迁移阳离子的金属并且在阳极:固体玻璃电解质界面处与固体玻璃电解质接触；
阴极侧，其包括阴极，该阴极含有阴极活性材料，阴极客体阳离子可逆地提取/插入所述阴极活性材料中，阴极活性材料相对于锂(Li)金属的电压为3V至15V；以及
聚合物/增塑剂，其在固体玻璃电解质:聚合物/增塑剂界面处与固体玻璃电解质接触，并在聚合物/增塑剂:阴极界面处与阴极接触，从而在电化学电池的充电和放电期间，将阴极客体阳离子限制在阴极侧，并且将电解质可迁移阳离子限制在阳极侧。


2.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述电解质可迁移阳离子和阴极客体阳离子是相同类型的阳离子。


3.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述电解质可迁移阳离子和阴极客体阳离子是不同类型的阳离子。


4.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂包含可迁移阳离子。


5.如权利要求4所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂中的可迁移阳离子是与电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者这两者相同类型的阳离子。


6.如权利要求4所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂中的可迁移阳离子是与电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者这两者不同类型的阳离子。


7.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂包含介电常数为50至24000的材料。


8.如权利要求4所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/聚合物增塑剂包括聚合物或增塑剂，并且聚合物或增塑剂与可迁移阳离子的摩尔比为10:1至50:1。


9.如权利要求4所述的可再充电电化学电池，其中，所述可迁移阳离子由聚合物/增塑剂中的LiClO4供应。


10.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂包含-C≡N末端基团。


11.如权利要求10所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂包括琥珀腈。


12.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述聚合物/增塑剂包括电偶极子。


13.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，所述可再充电电化学电池还包括在阴极:阴极集电器界面处与阴极接触的阴极集电器。


14.如权利要求1所述的可再充电电化学电池，其中，在电化学电池充电/放电循环期间，所述电解质可迁移阳离子、阴极客体阳离子或者这两者沿阳极或阴极集电器方向移动平均不超过阳极:固体玻璃电解质界面和阴极:阴极集电器界面之间距离的1/10,000。


15.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·B·高德伊娜弗，M·H·S·S·德奥利维拉布拉嘎，
申请(专利权)人：德克萨斯大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US