镁基一次电池(不可充电的)和二次(可充电的)电池制造技术

在此描述的电池是包括至少一个阳极、至少一个阴极、至少一种电解质和集流体的类型的电池，其中至少阳极是镁基的，选择性地阴极和电解质也含有镁。此电池的装配包括单个元件的制备、在镁基阳极和阴极之间插入电解质薄层。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及其中至少阳极包含镁，选择性地还有电解质和阴极也包含镁的一次(即，不可充电的)和二次(即，可充电的)电池以及制造所述电池的方法。原有技术正如所知，近年来呈现出的数字化电子产品的大量的和迅猛的发展能够创造出大量的新型可移动器件，例如计算机、蜂窝式便携无线电话、视频照相机等等。这些器件几乎是根据专一技术专门地装配蓄电池；也就是镍-镉(Ni-Cd)电池。对于生产出更小和更轻的可移动器件的需要以及对于这些器件长时间工作自主性的需要已经促进了许多私人的公司和公共的科研单位从事这方面的工作，以进行其目的在于能够达到上述需求的发展新技术的研究。在八十年代末九十年代初，两种新型电池出现在市场上镍-金属氢化物(Ni-MH)和锂离子(Li-锂离子)电池。在近些年，利用这些技术生产的电池的性能具有相当大的提高，目前这些电池的性能优于镍-镉电池。利用这些新技术生产的电池另一个优点在于不存在镉，由于镉是重金属，对于环境具有相当严重的有害影响。正如所知，锂离子电池在能量方面仍是最有前途的一种，但是它们的生产成本相对高。但是，如果考虑到这些体系每次循环的成本，可以注意到与更经济的镍-镉电池相比，它们是有竞争性的。基于技术特性、环境影响、每次循环的成本，在世界市场中对于锂离子体系的期望在明显增长。另一方面，镍金属氢化物电池可能会有更适度的增长，并且估计镍-镉电池可能不会保持它们目前的生产水平。国际状况表明多数生产集中在锂离子电池部分，这是锂体系的发展。广泛地用于计算器、时钟、手表、心脏起搏器等中的一次锂电池由锂阳极和过渡金属氧化物(例如，MnO2)制成的阴极制成。由于锂阳极提供了高电化学电势，这些电池提供高的电池电压，从而还具有高的能量密度。但是，这些电池是不可逆的，或至多可用于几次循环。利用锂制造二次电池的想法出现了所知的锂-聚合物(Li-聚合物)技术的第一种技术。但是，利用金属锂制备阳极的这种方法在可逆性方面存在严重的困难。实际上，在充电过程中，在阳极表面上形成枝晶沉积，这是由于锂与有机聚合物电解质的反应的结果，是造成这种类型的电池快速损坏的原因。最多，利用这种类型的体系所获得的循环次数总计只有几十次或几百次。另一方面，锂对于聚合物电解质的反应性也会成为在电池自身工作过程中严重的安全问题的原因。在这些器件研制的下一个阶段是所谓的锂离子或摇椅技术的引入，该技术通过用能够由嵌入反应在它们的结构中嵌入Li+的复合材料替代锂以解决在锂阳极上形成枝晶的问题。近年来，已经可以生产出基于具有嵌入性能的碳的阳极。具有规则结构(涡旋静态(turbostatic)或可石墨化的)或具有高结晶结构(天然或合成石墨)的特定碳材料能够实际地以可逆地方式在它们的层中嵌入Li+离子，由此出现LixC6型的合成物。其它锂离子电池具有嵌入的钛二硫化物基(LixTiS2)阳极。后者具有与碳电极相似的作用。通常阴极替代地利用锂和过渡金属的氧化物制成，其中至今最广泛采用的是钴酸锂(LiCoO2)，出于成本、可得性、毒性的原因倾向于由镍酸锂(LiNiO2)或锰酸锂(LiMnO4)代替。采用摇椅技术可获得的循环次数达到一千。通常，在具有溶剂性能的有机聚合物构成的电解质体系中，此有机聚合物通过用特殊的锂盐(例如，LiPF6、LiClO4等)掺杂呈现出离子传导。尽管上述技术进步的事实趋于解决由于锂的高反应性造成的与此元素的采用相关的问题，尤其是与在阳极上枝晶的形成相关的主要问题，但是对于这些问题完全解决的研究仍在不断进行中。枝晶形成问题还没有完全解决，同时象锂的高反应问题、在先提及的安全性的现存问题、以及可逆性的问题仍然存在。镁可以是用于克服这些问题的元素，尤其作为对锂的替代物。作为文献中的报道，许多研究者，例如Farrington和Cherng为了镁电池可能的发展，已经探索研制镁基聚合物电解质体系，但是只有很少的一些成果。实际上，所获得的聚合物电解质在室温下的导电性对于一次和/或二次电池产品太高(即，导电性低于10-6西门子/cm)。然而，在专利US44575中，Moulton提出制造镁电池的可能性，但没有具体说明工序，尤其没有具体说明如何制造阳极、阴极和聚合物电解质。引证了用镁盐掺杂的聚合物电解质，当测试时，上述用镁盐掺杂的聚合物电解质在室温下产生高于107ohm·cm的电阻，然而为了能够制造电池，电阻值必须下降到低于105ohm·cm。本专利技术的主要任务是成功地研制一次(非可充电的)电池和/或二次(可充电的)电池，此一次电池和/或二次电池克服了锂基电池的反应和可逆性方面的问题。在上述任务的框架中，随之而来的首要目的是研制具有高水平技术特性和减少了生产成本的电池。另一个主要目的是研制减小化的和重量轻的电池。本专利技术的还一个目的是研制适合于用在可移动数字电子设备中的电池。再一个重要目的是达到环境影响的几乎全部消除。本专利技术中包括的阳极特征在于它使用选择性地与金属镁结合的、各种氧化态的镁Mgn+(0≤n≤2)；可能含有镁的电解质的特征在于它包括在溶剂中的任何离子形式的镁，上述溶剂包括聚合物溶剂，此聚合物溶剂是能够产生具有好的离子导电性的电解质的并且是能够使所述离子性物质溶剂化的。当阴极包含镁，这是在2+氧化状态的镁形式，可以具有高导电的无机或有机材料的衬底，或者可以嵌入或埋入到高导电的无机或有机材料中。本专利技术的另一个目的是用于生产以下类型的所述一次电池和二次电池的方法，此类型的电池包括至少一个阳极、至少一个阴极、设置在阴阳极之间的至少一种电解质、电连接集流体，所述电池的特点在于至少阳极、选择性地电解质和阴极含有镁。本专利技术的还一个目的是在用于电解质制备的δ形式中氯化镁盐的采用，以及采用格林尼亚(Grignard)镁作为为电解质产生镁阳离子的物质。结合附图从接着的本专利技术的详细描述将更清楚的显示出进一步的特点和优点，所描述的实施例仅仅出于非限制性例子的目的。专利技术的详细说明尽管参照上述对于所希望的结果尝试失败的事实，但是本专利技术人现在已经惊奇的发现镁是能够有效地用在制造一次和二次电池中的元素。随着广泛大量的研究，本专利技术人实际上发现，出于本专利技术的目的，即为了获得技术性能如果不优于也比得上目前采用或已知的锂电池的一次和二次电池，参考上述附图，形成本专利技术目的的电池可以是下述类型的一次和二次电池，此类型的电池包括至少一个阳极、至少一个阴极、至少一种设置在阳极和阴极之间的电解质、集流体，所述电池的特征在于至少此阳极、选择性地同时电解质也含有镁。在达到本专利技术目标的电池中，阴极也可以选择性地含有镁。当电解质或阴极没有含有镁，它们是常规的电解质或阴极，因此它们自身是所知的，因此在此不进行进一步描述。达到本专利技术目标的一次和二次电池还可以包括可能的绝缘隔板，未在图中示出。特别地，根据本专利技术的电池可以由以下构成阳极10特征在于它包括选择性地与金属镁结合的、各种氧化态的镁Mgn+(0≤n≤2)。在所述阳极中，镁可以原样地被包含，或者镁也可以具有高导电性的无机或有机材料的衬底、或者具有能够通过嵌入或包埋到它们自己的基质中而包藏(englobing)减少了尺寸的镁微晶或镁单晶体的高导电性的无机或有机材料的衬底。特别地，阳极10可以照原样由金属镁构成，在这种情况下，镁可以以层压或烧结的形式采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一次（非可充电的）和二次（可充电的）电池，此类型电池包括至少一个阳极、至少一个阴极、设置在阳极和阴极之间的至少一种电解质、和集流体，所述电池特征在于至少阳极含有镁。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：V迪诺托，M法里，
申请(专利权)人：帕多瓦大学，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]