能量存储器件制造技术

一种能量存储器件，包括一个含有Ｉａ族元素的阳极，一种可传送阳极粒子的电解液，一个含有公式为ＧｘＭｅｙＣｈｚ的层状结晶材料的阴极，其中Ｇ为从Ｉａ族元素中选出的至少一种元素，且０．０≤ｘ≤１０；Ｍｅ是从含有Ｂｉ和Ｓｂ的基团中选出，且ｙ＝１，２；Ｃｈ从含有Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ的基团中选出，且ｚ＝１，２，３。层状结晶材料的特征在于：它具有足够低的缺陷密度和适当的杂质分布，这使得足以在每莫尔材料中的范德瓦尔斯通道中，夹杂至少３个莫尔的锂，而不会使晶格产生重大形变。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1991年10月29日递交的，序号为07/783886的美国专利申请的后续申请。本申请涉及高容量能量存储器件，本申请进一步涉及到新型的阴极材料。目前已知可在层状结晶结构中，夹杂进诸如锂、钠、钾等小离子。特别需要指出的是，层状传输特性和主族金属的硫族化物，已被用于锂夹杂在电化学电池中。增大夹杂进层状结晶材料的荷载量，便可有效地改善器件性能和电池容量，这也是已被公认的。利用金属硫族化物，作为电激活粒子的，现有能量存储系统的另一个限制，就是电池性能在粒子夹杂浓度变化时，将有较大变化，从而使运行状态随时间而变化。在此，“荷载”或“负荷容量”是指在每莫尔主体材料中，客体的莫尔数，“粒子”是指Ia族元素离子和不带电的原子。金属硫族化物的晶层形变，已被用作增加通道宽度，并由此增加客体荷载的一种方式。美国专利US4288508报道了一种用于电池的阴极激活材料，其通用公式为LixNayTis2，且y最好为0.15～0.20，Z可高达3.25。利用更大的钠原子以撬开范德瓦尔斯通道，便可以增大荷载。但这将导致TiS2晶格的重大形变。美国专利US4309491报道了一种含铋的硫族化物，可用作阴极激话材料的固体溶液。据报道，若假定有六莫尔的客体被夹杂时，铋的硫族化物中的客体荷载要求六法拉第电子。但是，它还报道说，其放电电压基本上随客体浓度的变化而变化。本专利技术的一个目的是，提供一种高容量的能量存储系统，其性能可在全部时间里，在夹杂浓度变化的条件下保持恒定。本专利技术进一步的目的是，提供一种能量存储器件，其包含有可实现高客体荷载，且能克服先有技术缺陷的，金属硫族化物阴极材料。本专利技术已经确认，某些种类的具有适当杂质分布的，高等级无缺陷结晶材料，可以被用于电池，从而能对容量和稳定性给出巨大的改进。本专利技术的一个方面是提供一种能量存储器件，它包括有从含有Ia族元素的基团中选出的至少一种粒子的阳极，一种可把阳极粒子通过电解液传递的电解液，一个包含有公式为GxlleyChz的层状结晶材料的阴极，其中G为从元素周期表的Ia族选出的，至少一种客体元素且0.0≤x≤0.4Me为含有Bi和Sb的基团中选出的基团且y＝1或2Ch为从含有S、Se、Te的基团中选出的硫族元素且z＝1、2或3。两个电极均与电解液相接触。材料的进一步特征在于，它具有足够低的缺陷密度和适当的杂质分布，这使得足以在每莫尔材料的范德瓦尔斯通道中，夹杂进至少3莫尔的锂，而不会使晶格产生重大形变，且吉布斯自由能量的变化(△G)基本上与锂的夹杂量无关。有关夹杂进有客体的化合物和使用这些化合物的器件的进一步说明，已在下述专利申请中给出，这些申请是与“能量存储器件”同日递交的且被引作本申请的参考文献、即“可实现高客体荷载的层状结晶材料”，“电解质双层电容器”和“电容性热电器件”。在最佳实施例中，阴极可以是层状结晶材料的两种或多种化合物构成的，复合材料或是固体溶液。阳极可以包括由含有锂、钠、钾的基团或是它们与其它材料的，合金中选出的电激活粒子，阳极也可以是某种夹杂进有锂的材料，比如说碳等，在将其用于可逆过程时更是如此。在一个最佳实施例中，能量存储器件，以使阳极粒子(G)夹杂进阴极的范德瓦尔斯通道，从而构成GxMeyChz的阴极而放电，其中G的来源是阳极且有0.4≤x≤10。能量存储器件最好包括有一个锂制阳极。一种高氯酸锂电解溶液和一个含有LixBi3Ch3的阴极，且0.0≤x≤10。阳极粒子作为范德瓦尔斯通道中的客体粒子。本专利技术的另一方面是提供一种能量存储器件，它包括一个锂制阳极，一种含有锂且具有与阳极相接触的第一表面的电解质结构，其中电解质结构是用浸入在电解质中的无纺聚丙烯制作的，以及一个与电解质结构的第二表面相接触的阴极。阴极最好由公式为LixBigChz的层状结晶材料制成，其中Ch为由含有S、Se、Te的基团中选出的硫族元素，且z＝1，2，3，0.0≤x≤10。材料的进一步特征在于它具有足够低的缺陷密度和适当的杂质分布，以使得足以在每莫尔材料的，范德瓦尔斯通道中，夹杂进至少三莫尔的锂而不会使晶格产生重大形变。且材料的吉布斯自由能量的变化(△G)、基本上与锂的夹杂量无关。在最佳实施例中，电解质结构的厚度为50～100微米。在最佳实施例中，层状结晶材料为粉剂。粉剂颗粒的尺度在40～100微米的范围内，且每一颗粒均为一个单晶。阴极可以是受压成形的单晶颗粒的粉坯。当阴极为受压成型的粉剂时，还可以含有粘接剂。聚乙烯是较好的粘接剂。粘接剂应少于或等于整个阴极的5%。阴极还可以进一步包括诸如CuO、Bi2O3等的辅助材料，以进一步改善器件的能量存储容量。CuO或Bi2O3所占的比例可为30～60重量百分比。在最佳实施例中，能量存储器件能以阳极粒子，由范德瓦尔斯通道逆出的方式再次充电，器件可重复进行夹杂，逆出循环，以实现器件充电和放电。在另一个最佳实施例中，能量存储器件可在-60℃≤T≤90℃的温度范围内运行。附图说明图1表示在层状主体GxMeyChz中夹杂客体粒子的电化学电池的示意图;图2为说明用于本专利技术的结晶层状结构的范德瓦尔斯通道中的定位位置的示意图。图3为说明用于制备本专利技术的单晶体的区域提纯的横剖面示意图。图4示出了按照本专利技术的方式制备的LixBi2O3化合物放电电压的特征曲线。在图4A中，示出了放电电压与予夹杂客体的量间的关系曲线，(1)，X＝0.0;(2)，X＝0.1;(3)，X＝0.2。在图4B中，示出了放电电压与硫族化合物的性质间的关系曲线，其中(Ⅰ)，Ch＝Te;(Ⅱ)，Ch＝Se;(Ⅲ)Ch＝S;(Ⅳ)，Ch＝0。图5示出了一个组装后的能量存储器件的示意性横面图。图6示出了一种复合阴极材料的放电特征曲线。下面对构成本专利技术基础的电化学原理和固体物理作简要说明，它也是同日申请的，尚处于审查过程中的，题目为“可用于高客体荷载的层状结晶材料”专利申请的主题，在此引用来作参考。所请求保护的能量存储器件的运行，是基于下述事实，即客体粒子将占据范德瓦尔斯通道，进入层状晶体主体，而离子、电子在客体一主体晶格中的再分布，将产生电流。用来使客体粒子夹杂进入主体的电化学电池的典型形式，已由图1示意性地给出。主体20包括有限定范德瓦尔斯通道24的若干个层22。阳极粒子26将能占据范德瓦尔斯通道中的定域位置。在电化学电池的运行过程中，阳极28处的氧化作用，将产生带正电荷的阳极粒子。当带电的阳极粒子26进入范德瓦尔斯通道24时，将向外部回路27提供所需要的负电荷，通至层状主体22的晶格，以使电荷保持中性。因此，将有电流沿着箭头28所示方向流动。负荷容量越大、即用于阳极粒子进入主体的夹杂容量越大，则流经外部回路的电荷量也越大。结构目前已知铋的硫族化物将结晶为六面体形和六角形晶格。六角形和六面体形晶格具有两类可以使用的能量位置，客体粒子可以占据范德瓦尔斯通道中的这些位置。这个检测依据已披露于正在审查中的美国专利申请07/784525，它也是被引用的参考文献。图2是两类客体格点位置的示意图。第一格点位置22位于通道中心的平面内，而剩余的格点位置24，将客体粒子沿着通道的侧壁26定位。用于客体的通道全部荷载予计为三个。在开始进行夹杂时，从能量的角度看、占据位置22比占据位置24更为有利。但在夹杂的过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量存储器件，包括：一个具有从Ｉ↓［０］族元素基团中，选出的至少一种粒子的阳极，一种与阳极相接触的电解液，所述电解液可以将所述粒子通过电解液传递，一个与所述电解液电接触的阴极，所述阴极包括有公式为ＣｘＭｅｙＣｈｚ的层状结晶材料，其中Ｇ为由Ｉ↓［０］族元素中选出的至少一种客体元素，且０．０≤ｘ≤１０，Ｍｅ为从含有Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅ的基团中选出的硫族元素，且Ｚ＝１，２，３，其中所述的材料具有足够低的缺陷密度和适当的杂质分布，这使得足以在每莫尔所述的材料中的范德瓦尔斯通道中，夹杂进至少三个莫尔锂而不会使晶格产生重大形变，所述材料的进一步特征在于ＯＧ基本上与锂的夹杂密度无关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊万I格里戈特切克，科尔涅伊D托夫斯蒂尤克，扎哈D科瓦里尤克，伊万D科茨米克，艾尔维拉G克里冈，博丹P巴马蒂尤克，
申请(专利权)人：伊万D科茨米克，科尔涅伊D托夫斯蒂尤克，扎哈D科瓦里尤克，伊万I格里戈特切克，艾尔维拉G克里冈，博丹P巴马蒂尤克，
类型：发明
国别省市：UA[乌克兰]