具有离子液电解质和电极压力的可充电电池制造技术

本公开提供了一种包括电解质的碱金属或碱土金属可充电电池，所述电解质包括离子液和碱金属盐或碱土金属盐。该电池还包括负电极，该负电极包括与电解质接触的表面。负电极还包括负电极活性材料。该电池还包括正电极，该正电极包括与电解质接触的表面。正电极还包括正电极活性材料。电池还包括在正电极和负电极之间的电绝缘隔板以及围绕电解质、电极和隔板的壳体。电池还包括压力施加系统，该压力施加系统向与电解质接触的至少部分电极表面施加压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有离子液电解质和电极压力的可充电电池优先权声明本申请根据35U.S.C.§119(e)的规定要求2018年8月30日提交的题为“具有离子液电解质和电极压力的可充电电池”的美国临时专利申请序列号62/725,087的优先权，该申请全文纳入本文。
本公开涉及一种碱金属或碱土金属可充电电池(battery)，其使用离子液电解质在高电压下运行。该电池还向电极施加压力。
技术介绍
许多充电电池含有有机液体电解质。虽然有机液体电解质能够在各种压力下运行，并且具有其它优点，但是有机液体电解质的主要缺点是其着火的趋势，尤其是在电池损坏或已充放电多次的情况下。有机液体电解质的另一缺点是其在长期充电/放电过程期间产生气体的趋势，充电电压为4.4V或更高时尤为如此。气体产生主要是由于电解质分解。气体的存在会通过破坏电池结构而在电池中引起问题，通常随着充电/放电循环次数的增加(容量衰减)或电池故障完全无法运行而导致电池容量下降。因此，传统碳酸盐有机液体电解质不适用于在4.4V或高于4.4V运行的电池。与有机液体电解质相比，离子液不易燃，并且具有较宽的操作窗口，因此是用于高压碱金属或碱土金属可充电电池的有机液体电解质的更安全替代品。
技术实现思路
本公开提供了一种包括电解质的碱金属或碱土金属可充电电池，所述电解质包括离子液和碱金属盐或碱土金属盐。该电池还包括负电极，该负电极包括与电解质接触的表面。负电极还包括负电极活性材料。该电池还包括正电极，该正电极包括与电解质接触的表面。正电极还包括正电极活性材料。电池还包括在正电极和负电极之间的电绝缘隔板以及围绕电解质、电极和隔板的壳体。电池还包括压力施加系统，该压力施加系统向与电解质接触的至少部分电极表面施加压力。上述电池可以通过一个或多个以下附加特征进行表征，除非明确相互排斥，这些附加特征可以彼此组合或与本说明书中任意其它部分(包括特定实施例)的说明组合使用：i)压力施加系统可以包括电池内部的密封件和压力施加结构；i-a)压力施加结构可以包括板材和夹具或螺钉；i-b)压力施加结构可以包括压力囊；ii)电池还可以包括气体迁移区域；iii)电池的运行电压可以为1V至8V、且包括1V和8V；iv)压力施加结构可以向与电解质接触的至少90％电极表面施加压力；v)由压力施加结构施加的压力在施加压力的任意点之间的变化可以不超过5％；vi)压力施加结构施加的压力可以为50psi至90psi；vii)压力施加结构施加的压力可以为70psi至75psi；viii)与C/2的第十次循环的容量相比，在C/2的110次循环后，电池可以呈现出1％至50％的容量衰减；ix)与没有压力施加系统的其它等同电池相比，在C/2的110次循环后，电池可以呈现出50％至1％的容量衰减；x)离子液可以包括氮(N)基离子液；x-a)N基离子液可以包括铵离子液；x-a-1)铵离子液可以包括N,N-二乙基-N-甲基-N(2-甲氧基乙基)铵；x-b)N基离子液可以包括咪唑鎓离子液；x-b-1)咪唑鎓离子液可以包括：乙基甲基咪唑鎓(EMIm)、甲基丙基咪唑鎓(PMIm)、丁基甲基咪唑鎓(BMIm)、或1-乙基-2,3-二甲基咪唑鎓或其任意组合；x-c)N基离子液可以包括哌啶鎓离子液；x-c-1)哌啶鎓离子液可以包括：乙基甲基哌啶鎓(EMPip)、甲基丙基哌啶鎓(PMPip)、或丁基甲基哌啶鎓(BMPip)、或其任意组合；x-d)N基离子液可以包括吡咯烷鎓离子液；x-d-1)吡咯烷鎓离子液可以包括：乙基甲基吡咯烷鎓(EMPyr)、甲基丙基吡咯烷鎓(PMPyr)、或丁基甲基吡咯烷鎓(BMPyr)、或其任意组合；xi)离子液可以包括磷(P)基离子液；xi-a)P基离子液可以包括鏻离子液；xi-a-1)鏻离子液可以包括：PR3R’鏻，其中，R是丁基、己基、或环己基，并且R’是甲基、或(CH2)13CH3、三丁基(甲基)鏻甲苯磺酸盐、或其任意组合；xii)碱金属盐可以包括：LiF2NO4S2、LiCF2SO3、LiNSO2(F3)2、LiNSO2(F2CF3)2、LiC2F6NO4S2、或NaBF4、或其任意组合。xiii)负电极活性材料可以包括：金属、碳、钛酸锂或钛酸钠或者铌酸锂或铌酸钠、或者锂合金或钠合金；xiv)正电极活性材料可以包括：锂过渡金属氧化物，碱金属或碱土金属-过渡金属磷酸盐、硫酸盐、硅酸盐或钒酸盐，或者碱金属或碱土金属-多金属氧化物或磷酸盐、硫酸盐、硅酸盐或钒酸盐；xv)正电极活性材料可以包括：具有化学通式AxMyEz(XO4)q和晶体结构的磨碎机混合活性材料，其中A是碱金属或碱土金属，M是电化学活性金属，E位于晶体结构中与A相同的结构位置，并且是非电化学活性金属、硼族元素或硅(Si)或其任意合金或组合，X是磷(P)或硫(S)或它们的组合，0<x≤1，y>0，z≥0，q>0，并且x、y、z和q的相对值使得化学通式电荷平衡；xv-a)A可以是锂(Li)或钠(Na)；xv-b-1)A可以是Li；xv-b-2)A可以是Na。xv-c)M可以是过渡金属、或其合金或任意组合。xv-c-1)M是铁(Fe)、铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)、钒(V)或钛(Ti)、或其合金或任意组合；xv-c-2)M可以是Co或其合金；xv-c-3)M可以是Co和Fe的组合；xv-c-4)M可以是Co和Cr的组合；xv-c-5)M可以是Co、Fe和Cr的组合；xv-d)其中，z可以大于0；xv-d-1)E可以是Si；xv-d-2)E可以是非电化学活性金属。xv-d-2-A)非电化学活性金属可以是镁(Mg)、钙(Ca)或锶(Sr)、锌(Zn)、钪(Sc)、或镧(La)、或其任意合金或组合；xv-d-3)E可以是硼族元素；xv-d-3-A)硼族元素可以是铝(Al)或镓(Ga)或其组合；xv-e)X可以是P。xv-f)X可以是S。xv-g)X可以是Si。附图简要说明本公开的实施方式还可以通过所附附图进行进一步理解，其中，相同的数字表示相同的特征。本专利或申请文件包含至少一幅有色附图。本专利或专利申请公开与彩色附图的副本将根据要求，在支付所需的费用之后由政府机关提供。图1是本公开电池的横截面示意图。图2是本公开电池底部部分的示意图。图3是本公开螺旋压力电池侧面的示意图。图4是本公开空气压力电池侧面的示意图。图5是多重取代的磷酸钴锂(LiCo0.82Fe0.0976Cr0.0488Si0.00976PO4)正电极活性材料的X射线衍射(XRD)曲线。具有痕量杂质的最终产品的典型XRD图谱用*进行标记。图6是含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碱金属或碱土金属可充电电池，其包括：/n电解质，其包含离子液和碱金属盐或碱土金属盐；/n包括与电解质接触的表面的负电极，负电极包含负电极活性材料；/n包括与电解质接触的表面的正电极，正电极包含正电极活性材料；/n正电极和负电极之间的电绝缘隔板；/n围绕电解质、电极和隔板的壳体；和/n压力施加系统，该压力施加系统可用于向与电解质接触的至少部分电极表面施加压力。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180830 US 62/725,0871.碱金属或碱土金属可充电电池，其包括：
电解质，其包含离子液和碱金属盐或碱土金属盐；
包括与电解质接触的表面的负电极，负电极包含负电极活性材料；
包括与电解质接触的表面的正电极，正电极包含正电极活性材料；
正电极和负电极之间的电绝缘隔板；
围绕电解质、电极和隔板的壳体；和
压力施加系统，该压力施加系统可用于向与电解质接触的至少部分电极表面施加压力。


2.如权利要求1所述的电池，其中，压力施加系统包括电池内部的密封件和压力施加结构。


3.如权利要求2所述的电池，其中，压力施加结构包括板材和夹具或螺钉。


4.如权利要求2所述的电池，其中，压力施加结构包括压力囊。


5.如权利要求1所述的电池，所述电池还包括气体迁移区域。


6.如权利要求1所述的电池，其中，所述电池的运行电压为1V至8V、且包括1V和8V。


7.如权利要求1所述的电池，其中，压力施加结构向与电解质接触的至少90％电极表面施加压力。


8.如权利要求1所述的电池，其中，由压力施加结构施加的压力在施加压力的任意点之间的变化不会超过5％。


9.如权利要求1所述的电池，其中，压力施加结构施加的压力为50psi至90psi。


10.如权利要求1所述的电池，其中，压力施加结构施加的压力为70psi至75psi。


11.如权利要求1所述的电池，其中，与C/2的第十次循环的容量相比，在C/2的110次循环后，电池呈现出1％至50％的容量衰减。


12.如权利要求1所述的电池，其中，与没有压力施加系统的其它等同电池相比，在C/2的110次循环后，电池呈现出50％至1％的容量衰减。


13.如权利要求1所述的电池，其中，离子液包括氮(N)基离子液。


14.如权利要求13所述的电池，其中，N基离子液包括铵离子液。


15.如权利要求14所述的电池，其中，铵离子液包含N,N-二乙基-N-甲基-N(2-甲氧基乙基)铵。


16.如权利要求13所述的电池，其中，N基离子液包括咪唑鎓离子液。


17.如权利要求16所述的电池，其中，咪唑鎓离子液包括：乙基甲基咪唑鎓(EMIm)、甲基丙基咪唑鎓(PMIm)、丁基甲基咪唑鎓(BMIm)、或1-乙基-2,3-二甲基咪唑鎓或其任意组合。


18.如权利要求13所述的电池，其中，N基离子液包括哌啶鎓离子液。


19.如权利要求18所述的电池，其中，哌啶鎓离子液包括：乙基甲基哌啶鎓(EMPip)、甲基丙基哌啶鎓(PMPip)、或丁基甲基哌啶鎓(BMPip)、或其任意组合。


20.如权利要求13所述的电池，其中，N基离子液包括吡咯烷鎓离子液。


21.如权利要求20所述的电池，其中，吡咯烷鎓离子液包括：乙基甲基吡咯烷鎓(EMPyr)、甲基丙基吡咯烷鎓(PMPyr)、或丁基甲基吡咯烷鎓(BMPyr)、或其任意组合。


22.如权利要求1所述的电池，其中，离子液包括磷(P)基离...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东强，A·弗兰德，C·金，K·扎西伯，J·L·艾伦，S·A·德普三世，T·R·周，
申请(专利权)人：海德勒魁北克，以陆军部长为代表的美利坚合众国政府，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA