通过夹层改善锌-二氧化锰电池的性能制造技术

一种一次或可再充电的电池，包括：电池壳体；阴极，阴极包括阴极电活性材料、导电碳和粘结剂；阳极，阳极包括阳极电活性材料；电解质；以及导电夹层；其中，阴极、阳极、电解质和导电夹层设置在电池壳体内。阴极电活性材料包括二氧化锰、它的任何多晶型物，或它们的组合。阴极被配置为获得阴极电活性材料的第1电子容量的20～100％。导电夹层接触阴极。导电夹层包括(i)粘结剂和(ii)导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。或它们的组合。或它们的组合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过夹层改善锌
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二氧化锰电池的性能
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年4月17日提交的名称为“通过夹层Zn
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MnO2电池性能”的美国临时申请63/011,717的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文，用于所有目的。关于政府资助的研究或开发的声明无。
[0003]
技术介绍

[0004]锌(Zn)
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二氧化锰(MnO2)电池(MnO2|Zn电池)在许多应用中用作一次电池。这些电池的一次性放电通常产生不导电相和非活性相，这些相导致主要活性成分(主要是二氧化锰)的容量退化和不可逆性。由于非活性材料的存在，这些一次电池存在利用率差的问题，并且二次电池也不切实际。通常通过限制二氧化锰活性材料的放电深度(DOD)或利用率而使二次电池可再充电。二氧化锰具有通过它的两个电子反应释放(deliver)的617mAh/g的理论容量。单个电子反应释放约310mAh/g。在可再充电的MnO2|Zn电池中，MnO2的DOD降低到310mAh/g(第1电子容量)的约5～10％。这种容量的减少产生了低能量密度的单元电池。
[0005]MnO2|Zn电池中MnO2的不可逆性主要是由于黑锰矿(Mn3O4)的形成以及溶解的锌离子与锰离子的反应，该反应形成锌黑锰矿(ZnMn2O4)。锰在碱性电解质中的溶出是容量损失的另一个促成因素。Mn3O4和ZnMn2O4为电阻性化合物且电化学不可逆，这些化合物是电池中容量和电压损失的原因。当MnO2的DOD或利用率大于第2电子容量的20％时，通常生成Mn3O4和ZnMn2O4。这些问题出现在MnO2|Zn电池中，而与所用MnO2的多晶型物无关。因此，增大电导率、防止锰溶出和阻断锌对于获得能量密集的一次和二次单元电池是必要的。
[0006]MnO2|Zn电池中的Zn电极存在在电池的工作电压窗口内电镀效率差的问题，对于第1电子容量，该电压窗口通常在1至1.65V之间。在此工作窗口外的电压范围下工作会导致锰离子在电解质中的溶出，这转而导致活性离子从电极中损失。然而，将工作电压限制在1.65V以下会导致Zn离子的电镀和脱电镀效率差，进而导致Zn阳极失效。因此，有必要设计能够在恒电流条件下且超过1.65V工作的MnO2|Zn电池，以减少Zn阳极失效。对与常规电池相比导电性增加，并且还能够防止锰溶出且阻断锌以获得能量密集的一次和二次单元电池的电池的需求持续存在。

技术实现思路

[0007]在一些实施方式中，一种一次或可再充电的电池，包括：电池壳体；阴极，所述阴极包括阴极电活性材料、导电碳和粘结剂；阳极，所述阳极包括阳极电活性材料；电解质；以及导电夹层；且其中所述阴极、所述阳极、所述电解质和所述导电夹层设置在所述电池壳体内。所述阴极电活性材料包括二氧化锰、二氧化锰的任何多晶型物，或它们的组合。所述阴极被配置为获得所述阴极电活性材料的第1电子容量的20～100％。所述导电夹层接触所述阴极。所述导电夹层包括(i)粘结剂和(ii)导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。
[0008]在一些实施方式中，一种一次或可再充电的电池，包括：电池壳体；阴极，所述阴极包括阴极电活性材料、涂覆有金属层的导电碳、粘结剂，和添加剂和/或掺杂剂；阳极，所述阳极包括阳极电活性材料；电解质；以及导电夹层；且其中所述阴极、所述阳极、所述电解质和所述导电夹层设置在所述电池壳体内。所述阴极电活性材料包括二氧化锰、二氧化锰的任何多晶型物，或它们的组合。所述添加剂或掺杂剂包括铋、铋化合物、铜、铜化合物，或它们的任何组合。所述阴极被配置为获得所述阴极电活性材料的第2电子容量的50～100％。所述导电夹层接触所述阴极。所述导电夹层包括(i)粘结剂和(ii)导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。
[0009]由下面结合所附权利要求书的详细描述，这些和其它特征将被更清楚地理解。
附图说明
[0010]为了更完整地理解本公开及其优点，现请结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标记表示类似的部件。
[0011]图1A至图1D示出了根据一些实施方式的二氧化锰(MnO2)|锌(Zn)(MnO2|Zn)电池的示意图。
[0012]图2示出了用于MnO2|Zn电池的电池组件的布置。
[0013]图3A至图3C示出了根据实施例1的MnO2|Zn电池的性能测试曲线。
[0014]图4A至图4C示出了根据实施例2的MnO2|Zn电池的性能测试曲线。
[0015]图5A至图5C示出了根据实施例3的MnO2|Zn电池的性能测试曲线。
[0016]图6示出了根据实施例4的MnO2|Zn电池的开路电位。
[0017]图7A至图7B示出了根据实施例5的MnO2|Zn电池的性能测试曲线。
[0018]图8A至图8B示出了根据实施例6的MnO2|Zn电池的性能测试曲线。
具体实施方式
[0019]在此公开中，术语“负电极(negative electrode)”和“阳极(anode)”均用于表示“负电极”。相似地，术语“正电极(positive electrode)”和“阴极(cathode)”均用于表示“正电极”。单独提及“电极”可以指阳极、阴极或两者。提及术语“一次电池(primary battery)”(例如“一次电池”、“一次电化学单元电池”或“一次单元电池”)，是指在一次放电后被弃置和替换的单元电池或电池。提及术语“二次电池”(例如“二次电池”、“二次电化学单元电池”或“二次单元电池”)，是指能够充电一次或多次并重复使用的单元电池或电池。如本文所用，“阴极电解质(catholyte)”是指与阴极接触但不与阳极直接接触的电解质溶液，而“阳极电解质(anolyte)”是指与阳极接触但不与阴极直接接触的电解质溶液。术语“电解质”单独可以指阴极电解质、阳极电解质或与阳极和阴极均直接接触的电解质。
[0020]如以电网为基础的应用、电动汽车、太阳能存储、不间断电源等的一系列应用都需要如电池等的能量存储系统。锂离子和铅酸电池目前主导着市场；然而，它们昂贵、易燃且含有有毒元素。当与廉价且丰富的材料阴极如二氧化锰(MnO2)配对时，如锌(Zn)
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阳极电池等水基金属阳极体系在体积和重量能量密度方面能够与锂和铅竞争。
[0021]为了使一次和二次二氧化锰(MnO2)|锌(Zn)(MnO2|Zn)电池在商业上可行并且可与其它电池存储技术竞争，实现第1电子容量的20～30％或第2电子容量(617mAh/g)的50～
100％是至关重要的。实现第1电子容量和第2电子容量的上述份额取决于所使用的二氧化锰的多晶型物。电解二氧化锰(EMD)为MnO2|Zn化学中最常见的MnO2。EMD能够在单次放电中释放第2电子容量；然而，在对放电材料进行再充电时，会形成二氧化锰的水钠锰矿多晶型物。水钠锰矿为MnO2的电阻性相，其是非活性的；然而，它是MnO2仅有的能够可再充电地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电池，包括：电池壳体；阴极，所述阴极包括阴极电活性材料，其中所述阴极电活性材料包括二氧化锰、二氧化锰的多晶型物，或它们的组合；阳极，所述阳极包括阳极电活性材料；电解质；和导电夹层，其中，所述阴极、所述阳极、所述电解质和所述导电夹层设置在所述电池壳体内，其中，所述导电夹层设置在所述阳极和所述阴极之间；其中，所述导电夹层包括(i)粘结剂和(ii)导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述导电夹层接触所述阴极。3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阴极进一步包括导电碳和/或粘结剂；其中所述阴极的导电碳与所述导电夹层的导电碳相同或不同；其中所述阴极的粘结剂与所述导电夹层的粘结剂相同或不同。4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述二氧化锰包括：α
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二氧化锰、β
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二氧化锰、γ
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二氧化锰、λ
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二氧化锰、ε
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二氧化锰、δ
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二氧化锰(水钠锰矿)、化学改性二氧化锰、斜方锰矿、电解二氧化锰(EMD)中的至少一种，以及它们的任何组合。5.根据权利要求1所述的电池，其中，所述导电夹层压制在所述阴极上。6.根据权利要求1所述的电池、其中，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、纤维素类水凝胶、聚乙烯醇，或它们的组合。7.根据权利要求8所述的电池，其中，所述纤维素类水凝胶包括：甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基纤维素(HPC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基甲基纤维素(HEMC)、羧甲基羟乙基纤维素、羟乙基纤维素(HEC)中的至少一种，以及它们的任何组合。8.根据权利要求8所述的电池，其中，所述纤维素类水凝胶与聚合物交联，所述聚合物选自由聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯、聚吡咯，以及它们的任何组合组成的组。9.根据权利要求1所述的电池，其中，所述导电碳包括：TIMREX初级合成石墨，TIMREX天然鳞片石墨，TIMREX MB、MK、MX、KC、B、LB级TIMREX分散体；ENASCO 150G、210G、250G、260G、350G、150P、250P；SUPER P、SUPER P Li、炭黑、乙炔黑、碳纳米管、单壁纳米碳管、多壁碳纳米管、石墨烯、石墨炔、氧化石墨烯、Zenyatta石墨，或它们的组合。10.根据权利要求1所述的电池，其中，所述金属氢氧化物包括氢氧化镍、氢氧化铜、氢氧化钙、氢氧化铟、氢氧化铝、氢氧化钡、氢氧化钴中的至少一种，以及它们的任何组合。11.根据权利要求1所述的电池，其中，所述金属氧化物包括铜氧化物、氧化镍、氧化铋、氧化铟中的至少一种，以及它们的任何组合。12.根据权利要求1所述的电池、其中，所述导电夹层包括聚合膜，所述聚合膜具有分散于其中的导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。13.根据权利要求1所述的电池，其中，所述导电夹层包括聚合膜，且其中所述聚合膜包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、纤维素，或它们的组合。14.根据权利要求1所述的电池，其中，基于所述导电夹层的总重量，所述导电夹层包括
1～99wt％的粘结剂，和1～99wt％的导电碳、金属氢氧化物、金属氧化物，或它们的组合。15.根据权利要求1所述的电池，其中，所述导电夹层提供用于增大所述电池的工作电压窗口、限制锰溶出、限制非活性相形成，以允许获得二氧化锰的高放电深度，或它们的组合。16.根据权利要求1所述的电池，其中，基于所述阴极的总重量，所述阴极包括50～90wt％的二氧化锰、10～50wt％的导电碳以及0～10wt％的粘结剂。17.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极包括锌，并且其中所述锌包括金属锌或锌粉末。18.根据权利要求17所述的电池，其中，所述锌粉末与氧化锌以及粘结剂混合；并且其中所述阳极的粘结剂与所述导电夹层的粘结剂相同或不同。19.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极包括至少50wt％的锌，并且其中所述锌包括金属锌或氧化锌。20.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极包括锌、铁、铝、锂、镁，或它们的组合。21.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极电活性材料为粉末、箔、网、泡沫、海绵、穿孔箔，或它们的组合。22.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极包括导电碳，其中所述导电碳与所述阳极电活性材料混合，且其中所述碳包括石墨、碳纤维、炭黑、乙炔黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、涂镍碳纳米管、涂铜碳纳米管、单壁碳纳米管的分散体、多壁碳纳米管的分散体、石墨烯、石墨炔、氧化石墨烯，以及它们的组合。23.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极包括添加剂和/或掺杂剂，且其中所述添加剂和/或掺杂剂包...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔达摩，
申请(专利权)人：城市电力公司，
类型：发明
国别省市：