用于高能量或高功率电池组用途的电化学二次电池制造技术

本申请涉及一种用于高能量或高功率电池组用途的电化学二次电池，提供了一种用于优选地用于电动车辆的二次电池组的电化学电池。该电池包括固体金属阳极，该固体金属阳极在该电池充电过程期间沉积在合适的集流体基板上。披露了相容电解质的若干变型，以及用于构建该完整电池的合适的阴极材料。整电池的合适的阴极材料。整电池的合适的阴极材料。

【技术实现步骤摘要】
用于高能量或高功率电池组用途的电化学二次电池
[0001]本申请是申请日为2016年03月04日提交的申请号为201680066609.6，专利技术名称为“用于高能量或高功率电池组用途的电化学二次电池”的申请的分案申请。


[0002]总体上，本专利技术涉及可再充电的电化学电池、电池组以及超级电容器。具体地，本专利技术涉及使用金属钠阳极、支持高能量密度的新型阴极、以及与这两个特定电极相容的电解质的溶液的前述电池。

技术介绍

[0003]已知存在用于电动车辆(EV)的电池组的不同实施方式和概念，从基于最广泛使用的Li离子汽车技术的电池组到其他电池组都有，诸如铅
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酸、镍
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镉(Ni
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Cd)、镍金属氢化物(Ni
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MH)以及熔融盐。用于电动车辆和混合动力车辆的电池组的目前生产主要基于Li离子电池组技术。然而，所述技术具有一些缺点。具体地讲，Li离子电池组的高生产成本迫使车辆制造商设计范围局限的车辆。此外，目前Li离子电池组的不确定的使用寿命和有限的快充能力使消费者在电池组供能的完全电动车辆或插电式混合动力车辆与内燃机车辆之间进行选择时更加犹豫。此外，Li离子技术目前的高成熟度暗示着电池组性能和成本效率的显著改善需要完全不同的概念性方法。
[0004]在电池组
进行了深入研究以寻找足够的比能量、容量和耐久性的成本有效组合。已经探索了许多化合物作为电池组电池的潜在组分。出于包括基于镁的金属阳极的EV电池的可能的高比能，已经深入研究了基于镁的金属阳极。然而，由于与缺乏合适的阴极材料相关的技术挑战以及与能够进行可逆金属沉积的电解质体系相关的问题，已经引入了无环境温度的商业装置。根据电池组研究的普遍共识，与基于钠的金属阳极相关的挑战甚至比包括基于镁的金属阳极的电池的问题更大。因此，用金属阳极进行的研究主要集中于基于镁的电极系统，尽管Mg
2+
/Mg电势比Na
+
/Na电势高约0.4V，同时已经通过嵌入Na离子电池制剂探索了基于钠的电池。在此披露的基于金属钠阳极的电池组和超级电容器电池专利技术因此具有高的工业重要性并且开辟了构建成本有效而又高性能的电池组和超级电容器的新途径。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目标是披露基于包括金属钠的阳极的用于二次高能量或高功率电池组的高性能电化学电池。在一个优选实施例中，该电池设置有在第一充电循环期间电沉积的固体金属阳极、选自本专利技术披露的电极结构的阴极、以及选自本专利技术披露的电解质的电解质。
[0006]本专利技术的一个方面涉及披露支持金属钠阳极的基本上稳定循环的电解质。另一方面涉及披露一种支持钠的基本上光滑、无树枝状晶体且良好粘附的电化学沉积的集流体材料。在本专利技术的一个实施例中，钠的电化学沉积是本专利技术的有效实施的特定需要。这一电化
学钠沉积在以放电状态组装的电池的第一充电循环期间或在＝以充电状态组装的电池的电池组装之前在阳极钠薄膜的制备期间发生。适用于这种钠沉积的集流体基板的鉴定与适用于沉积在这一基板上的电解质相互关联。换句话说，只有支持钠上钠沉积的电解质的子组也支持集流体基板上的钠沉积。匹配电解质
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集流体基板对的披露内容因此是本专利技术的一个主要目标。
[0007]在一个实施例中，阳极在其放电状态中和/或在可处于放电状态的组装期间基本上不含钠。此处，如果钠的重量％优选小于处于其放电状态的阳极的总重量的50％、并且更优选地小于30％、并且更优选地小于20％、并且更优选地小于10％、并且更优选地小于5％、并且更优选地小于3％、并且更优选地小于2％、并且更优选地小于1％、并且更优选地小于0.5％、并且更优选地小于0.3％、并且更优选地小于0.2％、并且更优选地小于0.1％、并且最优选地小于0％，那么阳极不含钠。
[0008]阳极可包括钠的支撑体/集流体或另一导电材料。在一个实施例中，阳极为纯钠。此处，如果钠的重量％优选大于处于其放电状态的阳极的总重量的50％、并且更优选地大于70％、并且更优选地大于80％、并且更优选地大于90％、并且更优选地大于95％、并且更优选地大于97％、并且更优选地大于98％、并且更优选地大于99％、并且更优选地大于99.5％、并且更优选地大于99.7％、并且更优选地大于99.8％、并且更优选地大于99.1％、并且最优选地大于100％，那么阳极被视为纯钠。
[0009]在一个实施例中，集流体材料上的电化学沉积可以是基本上光滑、不含树枝状晶体和/或良好粘附的。在一个实施例中，电化学沉积和集流体材料可接触。光滑在此处定义为具有低于100微米、并且更优选地低于50微米、并且更优选地低于20微米、并且更优选地低于10微米、并且更优选地低于5微米、并且更优选地低于2微米、并且最优选地低于1微米的表面粗糙度。不含树枝状晶体在此处定义为钠沉积物的总质量的优选小于90％、并且更优选地小于50％、并且更优选地小于20％、并且更优选地小于10％、并且更优选地小于5％、并且最优选地小于2％为树枝状晶体。
[0010]在另一方面，本专利技术涉及披露与所披露的电解质相容的阴极。鉴于文献中描述的成千种电极材料，甚至相对于已知的电极材料，有创新性的是，鉴定同时支持良好的电子电导率、良好的离子扩散率，提供高能力密度的那几种电极材料不溶于新披露的处于还原、氧化或中间状态的电解质，并且与新披露的电解质的电化学窗口相容，尤其考虑到在此所述的电解质的尚未经探索的物理性质。
[0011]在另一方面，本专利技术有利于仅仅某些披露电池组分的利用，例如，某些披露阴极在不同背景中的使用，诸如基于锂的电池组电极的使用，或某些披露电解质在超级电容器电池中的使用。
[0012]在另一方面，本专利技术涉及包括根据任何实施例且由此提供的多个电池的电化学二次电池组在电动车辆中的使用。
[0013]在仍然另一方面，本专利技术涉及所述电池组在电气或电子装置、动力单元、备用能量单一体(backup energy unity)或栅极存储或稳定单元中的使用。
[0014]在仍然另一方面，某些披露电解质在采用离子液体或具有高度浓缩的盐含量的非含水液体的任何应用的背景中的使用。
[0015]稳定循环在此处定义为在至少10个循环、并且更优选地至少100个循环、并且更优
选地至少1000个循环、并且最优选地至少10000个循环的过程中电解质的优选地少于50％、并且更优选地少于25％、并且更优选地少于10％、并且最优选地少于5％的消耗。
[0016]本专利技术的效用根据其每个特定实施例由多种原因产生，诸如每质量单位的高能量密度、每质量单位的高功率密度或改善的耐久性。由此披露的电池组的成本有效实施将积极影响许多电池组供能的产品。
[0017]基于钠的金属阳极提供任何阳极材料的最高理论重量容量的一些：钠的重量容量超过1100mAh/g，并且电势为
‑
2.7V，相对于Na
+
/Na对的标准氢电极(SHE)。出于比较，锂离子电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学电池，包括：a)包括结晶的含钠材料和含碳材料的阴极、以及在电池放电状态中基本上不含钠的导电阳极集流体；b)位于该阴极与该阳极集流体之间的电解质，该电解质包含溶剂和钠盐；以及c)包括该阳极集流体的阳极，其中该电池以完全放电状态被组装，以及，在充电状态中在该阳极集流体上的金属钠活性材料的电沉积层。2.一种电化学电池，包括：a)包括至少一部分不来源于电解质盐的结晶的含钠材料和含碳材料的阴极、以及导电阳极集流体；b)位于该阴极与该阳极集流体之间的电解质，该电解质包含溶剂和钠盐；以及c)包括该阳极集流体的阳极，其中该电池以完全放电状态被组装，以及，在充电状态中在该阳极集流体上的金属钠活性材料的电沉积层。3.如权利要求1或2所述的电池，其中该含钠材料是无机的。4.如权利要求1
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3中任一项所述的电池，...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德拉斯，
申请(专利权)人：博比特电池有限公司，
类型：发明
国别省市：