具有新型组分的电池单元制造技术

包括酸化金属氧化物(“AMO”)材料的电池，所述酸化金属氧化物(“AMO”)材料优选为20nm或更小尺寸的单分散纳米颗粒形式，所述酸化金属氧化物(“AMO”)材料当以5wt％悬浮在水溶液中时具有PH<7，并且至少在其表面上具有Hammett函数H

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有新型组分的电池单元对相关申请的引用本申请要求2017年5月17日提交的序列号为62/507,658的题为“BatteryCellwithNovelConstruction”的美国临时专利申请的权益，并通过引用将该临时申请合并到本公开中，如同在此充分阐述一样。
本公开属于可用于化学能量存储和电源设备(例如但不限于电池)的材料领域。更具体地，本公开涉及具有包含酸化金属氧化物(“AMO”)纳米材料的阴极和/或阳极的电池单元。在一些实施例中，电池单元被构造成具有AMO阴极和基本上由元素锂组成的阳极。
技术介绍
金属氧化物是氧与金属结合的化合物，具有通式MmOx。它们存在于自然界中，但可以人工合成。在合成的金属氧化物中，合成方法可对表面性质，包括其酸/碱性具有广泛影响。表面特性的改变可以改变氧化物的性质，影响诸如其催化活性和电子迁移率等。然而，表面控制反应的机理并不总是很好地表征或理解。例如，在光催化中，认为表面羟基促进从导带到化学吸附的氧分子的电子转移。尽管表面特性很重要，但金属氧化物文献(科学论文和专利)主要致力于产生新的纳米级晶体形式的金属氧化物，以改进能量存储和电源应用。金属氧化物表面特性被忽略，并且在化学催化文献之外，很少有创新涉及控制或改变已知金属氧化物的表面以实现性能目标。化学催化文献主要致力于产生“超强酸”——酸性大于纯硫酸(18.4MH2SO4)——通常用于大规模反应，如烃类裂化。超酸性不能在传统的PH标度上测量，而是通过哈米特(Hammett)数定量。哈米特数(H0)可被认为是将PH标度扩展为小于零的负数。纯硫酸具有-12的H0。然而，存在超酸性太强的许多反应系统和许多应用。例如，超酸性可降解系统部件或催化不需要的副反应。然而，酸性在这些同样的应用中仍可用于提供增强的反应性和速率特性或改进的电子迁移率。电池文献教导酸性基团在电池中是有害的，它们会侵蚀金属集电器和壳体并引起其它电极组分的劣化。此外，现有技术教导活性催化电极表面导致电解质分解，其可导致电池单元内产生气体并最终导致电池单元失效。存在实现具有合成的金属氧化物的电池的需求，其中该合成的金属氧化物至少在其表面上具有酸性但不是超酸性并被配置在阳极和/或阴极内。此外，现有的电池构造技术应当被更新以充分利用根据本公开可获得的新材料以及先前已知的材料。
技术实现思路
本申请描述了对应于酸化金属氧化物(“AMO”)的材料和使用AMO的应用，包括在电本申请描述了对应于酸化金属氧化物(“AMO”)的材料和使用AMO的应用，包括在电池中，例如在电池电极材料中作为催化剂、作为光伏或光敏部件、和传感器。进一步公开了用于制备AMO的技术和包括AMO的设备。可选地，所公开的AMO与酸性物质组合使用以增强它们的实用性。本申请还描述了包括含有金属氧化物的电极的高容量电化学电池单元。还公开了制备金属氧化物和包含金属氧化物的电化学电池单元的技术。可选地，所公开的金属氧化物与导电材料结合使用以形成电极。所形成的电极可用于金属锂和常规锂离子电极作为相应的对电极。可选地，所公开的金属氧化物与酸性物质组合使用以增强其实用性。在一些实施例中，本公开提供低活性材料(即，金属氧化物)装料的分层电极构造。在一些情况下，在电极中使用小于80wt％的活性材料。这与传统的电化学电池技术形成对比，在传统的电化学电池技术中，试图最大化活性材料的装量，并且活性材料的装量可以大于或约80wt％，例如90％或95％或99％。虽然在常规电化学电池技术中，高活性材料装料可用于增加电容量，但是本申请的专利技术人已经发现，通过根据本公开的各实施例，降低活性材料装量实际上允许更高的电池电容量。这样的电容量增加可以至少部分地通过允许穿梭离子(即锂离子)的更大吸收来实现，因为当活性材料装量水平较小时可以获得额外的物理体积。可选地或附加地，这样的电容量增加可以至少部分地通过允许更多的活性位点吸收穿梭离子和更少的活性位点被额外的材料质量阻挡来实现。所描述的AMO包括纳米材料形式，例如纳米颗粒形式的那些AMO，其可以是单分散的或基本上单分散的，并且具有例如小于100nm的颗粒尺寸。例如，当以特定浓度(例如5wt％)悬浮在水中或干燥后再悬浮在水中时，所公开的AMO表现出低PH，例如小于7(例如，在0和7之间)，并且至少在AMO的表面上进一步表现出Hammett函数H0大于-12(即，非超酸性)。可选地，AMO的表面可以被官能化，例如被酸性物质或其它吸电子物质官能化。合成和表面官能化可以在“单釜”水热方法中完成，其中金属氧化物的表面在金属氧化物由合适的前体合成时官能化。在一些实施例中，除了合成金属氧化物本身所需的步骤之外，该单釜方法不需要任何额外的一个或多个酸化步骤，并使得AMO材料具有所需的表面酸性(但非超酸性)。可选地，使用强的吸电子基团(“EWG”)——例如SO4、PO4或卤素(Br、Cl等)——要么单独地要么彼此结合地发生表面官能化。也可使用弱于SO4、PO4或卤素的EWG进行表面官能化。例如，合成的金属氧化物可以用乙酸根(CH3COO)、草酸根(C2O4)和柠檬酸根(C6H5O7)基团进行表面官能化。尽管普遍认为酸性物质在电池中是不期望的，因为它们会侵蚀金属集电器和壳体并导致其它电极部件的劣化，并且活性催化电极表面可导致电解质分解、电池单元内气体产生并最终导致电池单元故障，但是专利技术人已经发现，酸性物质和成分在电池电极中采用AMO材料的电池中是有利的。举例来说，AMO与酸性物质的组合或使用可增强所得材料、系统或设备的性能，从而产生设备的改进的容量、循环能力和寿命。例如，采用AMO材料与酸性电解质或含有本文所述酸性物质的电解质组合的电池表现出相当大的容量增益，例如比采用非酸化电解质或缺乏酸性物质的电解质的类似电池高达100mAh/g或更多。在一些实施例中，可以实现50mAh/g到300mAh/g的容量改善。另外，使用具有酸化电解质或包括酸性物质的电解质的电池可实现高达1000mAh/g或更大的绝对容量。此外，通过使用酸性电解质或含有酸性物质的电解质可提高电池的循环寿命，例如电池的循环寿命可延长高达100次或更多次充电-放电循环。示例性的电池单元包括第一电极，例如包括金属氧化物(可选地，AMO纳米材料)、导电材料和粘合剂的第一电极；第二电极，例如包括金属锂的第二电极；以及位于第一电极和第二电极之间的电解质。可选地，金属氧化物占第一电极的小于80wt％。示例性的电解质包括溶解在溶剂中的金属盐、固体电解质和凝胶电解质。可选地，一隔板位于第一电极和第二电极之间。附加地或替代地，包括本身是酸性的电极或包括酸性物质(例如有机酸)的电极(例如阴极或阳极)的电池也会是有益的，这再次地与电池技术中的常规教导相反。例如，并入酸性电极的电池或在电极内并入酸性物质的电池可增强性能并产生改进的电容量、循环能力和寿命，特别是当在包括AMO材料的电极中使用时。可实现高达100mAh/g或更大的电容量增益。还可通过使用酸性电极或含有酸性物质的电极来提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括阳极、电解质和阴极的电池单元，其中所述阳极或阴极的其中之一包括少于80％的固体金属氧化物纳米材料，所述固体金属氧化物纳米材料包括酸性但非超酸性的表面，所述表面在干燥后以5wt％重新悬浮于水中时具有PH<5，并且具有Hammett函数H

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170517 US 62/507,6581.一种包括阳极、电解质和阴极的电池单元，其中所述阳极或阴极的其中之一包括少于80％的固体金属氧化物纳米材料，所述固体金属氧化物纳米材料包括酸性但非超酸性的表面，所述表面在干燥后以5wt％重新悬浮于水中时具有PH<5，并且具有Hammett函数H0>-12。


2.根据权利要求1所述的电池单元，所述少于80％的固体金属氧化物纳米材料包括少于65％的固体金属氧化物纳米材料。


3.根据权利要求1所述的电池单元，所述少于80％的固体金属氧化物纳米材料包括23％至33％的固体金属氧化物纳米材料。


4.根据权利要求1所述的电池单元，所述少于80％的固体金属氧化物纳米材料包括11％至14％的固体金属氧化物纳米材料。


5.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述阳极或阴极的其中之一包括分层结构，所述分层结构包括含有导电材料的第一层集和含有所述金属氧化物纳米材料的第二层集，并且其中所述第一层集和所述第二层集以交替配置设置。


6.根据权利要求5所述的电池单元，其中所述第一层集包括1至20层，并且其中所述第二层集包括1至20层。


7.根据权利要求5所述的电池单元，其中所述第一层集和所述第二层集各自具有1μm至50μm的厚度。


8.一种电池单元，其具有包括至少一种浓度小于65wt％的活性固体金属氧化物材料的电极，其中所述金属氧化物用基本上单分散的材料表面官能化并提供分子量小于200的酸性吸电子基团，并且其中所述电极包括分层结构，所述分层结构包括包含导电材料的第一层集和包含所述金属氧化物材料的第二层集，并且其中所述第一层集和所述第二层集以交替配置设置。


9.根据权利要求8所述的电池单元，其中表面官能化所述金属氧化物的所述表面的所述材料是酸性的但不是超酸性的，当以5wt％悬浮在水溶液中时具有PH<7，并且具有Hammett函数H0>-12。


10.根据权利要求9所述的电池单元，其中表面官能化所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：佩奇·L·约翰逊，
申请(专利权)人：氢氦锂有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US