用于自形成电池的金属氟化物组合物制造技术

本发明专利技术提供电绝缘的非晶态或纳米晶混合离子导体组合物，包括金属氟化物复合物，电势被施加到所述金属氟化物复合物以形成：1)负极；和2)正极；其中，所述负极和所述正极在原位形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一次和二次电化学能源存储系统，特别是如电池这样的系统，这些系统使用能吸收和释放离子的材料作为存储和供应电能的手段。
技术介绍
电化学能量存储设备，例如电池，对从小的神经刺激器到电动车的各种技术的快速发展正变得越来越重要。应对这些设备的电力需求需要注意各种性能因素。虽然每个应用都有不同的优先顺序，几乎所有的应用都具有相同的需求。这些包括更大的重量和体积能量密度、更低的成本、电池生产的容易性增加和改进的安全性。在过去的二十年，锂离子技术一直是首要的电池技术，自从首次出现后已经改进很少。在这项技术中，正极和负极在嵌入反应的基础上运行，其中客体离子嵌入稳定的晶体主体结构中。对于正极，主体结构通常是层状(LiCoO2)或三维(LiMn2O4)主体金属氧化物结构。正极是锂离子电池的能量限制电极。因此，关注该电极的改进是电池能量密度提高的关键。现有的和被提议的插层材料仅限于每个分子式单元嵌入一个锂离子和一个电子；对于提高能量密度来说，将该限制扩展至远超出一个电子和一个离子是必要的。最近，为了实现每个过渡金属能转移两个或三个电子从而将电池的能量密度提高至少两倍的阶段，提出了转换材料的概念(见Poizot，P等人，Nature. 2000 Sep 28 ；407(6803) :496_9，通过引用将其全部内容并入本文)。在这方面最有用的转换材料是金属氟化物纳米复合物类型(见U. S. 11/813，309 ；PCT/US06/00448 ；U. S. 60/727，471 ；U. S. 60/641，449 ；Bervas, M.等人，J. Electrochem. Soc. 2006. 153(4)A799-A808 ；Bervas, M.等人，Electrochem. Solid-State Lett. 2005. 8(4) :A179_A183 ;Bervas, M.等人，J. Electrochem. Soc. 2006. 153(1) :A159_A170 ；Badway, F.等人，J. Electrochem. Soc. 2003. 150(10) :A1318_A1327 ；Badway, F.等人，J. Electrochem.Soc. 2003. 150(9) :A1209_A1218 ；Badway, F.等人，Chem. Mater. 2007. 19 :4129-4141 ；Pereira, N.，J. Electrochem. Soc. 2009. 156(6) :A407_A416 ；Amatucci, G. G.和 Pereira,N. ,J. Fluorine Chem. 2007. 128 :243-262 ;通过引用将每篇文献的全部内容并入本文)。在放电或锂化反应的过程中，金属氟化物被还原为尺寸< 5nm的亚纳米复合物形式的金属和LiF0金属氟化物材料在随后的充电或脱锂化反应中重新形成。这个过程进行多次，从而赋予该技术可充性。金属氟化物本身是绝缘体，但通过形成纳米复合物使其具有显著的电化学活性，从而使材料具有电化学活性。在许多情况下，基于氟电极的自形成电池是重要的并提供了许多重要属性。例如，无限制地，自形成电池的使用能够很大程度降低制造成本，因为不会有任何单个电极制造相关的成本。另一个例子是作为一个无限期的后备电池，在需要的时候，电池会形成高活性电极。如果所述高活性电极长时间存储，通常会表现出一些降解。另一个例子是电池很容易形成小或保形尺寸，因为只有一层氟化物材料必须沉积下来。另一个重要的例子是，自形成电池技术的使用能够使具有不寻常电压和能量密度但极端活性的金属卤化物电极在周围环境与不良过程稳定性下使用。原位形成这些材料能消除处理不稳定材料的极端困难、潜在的毒性和特别是离位制造这些材料的高成本。总之，自形成电化学电池本身用作一个化学工厂。本专利技术效果的例子可在这一概念引入到原位形成的LiAg-AgF2对后的理论能量密度方面见到。该电池能量密度超过3500Wh/L，比目前最先进水平的锂离子技术高3倍。本专利技术涉及电化学形成的金属卤化物电池，提供其中的组分之一是已知玻璃形成体的金属氟化物电池的组合物和实施例。在进一步的实施方案中，电池可以通过双离子能量存储机制来运行，其中，当形成电池时，阳离子和阴离子，例如Li+和F_，扩散到相对的活性集流体以在原位形成电池。 概沭根据一个方面，本专利技术提供一种电绝缘的非晶态或纳米晶混合离子导体组合物，包括金属氟化物复合物，电势被施加到所述金属氟化物复合物以形成a)负极，和b)正极，其中，所述负极和所述正极在原位形成。另外，所述组合物通过作为电荷载体的离子来导电。另外，导电离子是阳离子和阴离子。另外，所述阴离子是氟离子。另外，所述阳离子是碱金属。另外，所述碱金属是锂。另外，所述非晶态离子导体组合物进一步包括玻璃形成体。另外，所述玻璃形成体是氟化物。另外，所述玻璃形成体选自由AlF3、ZrF4、GaF3、HfF4、YbF3> ThF3> ZnF2, InF3、ZbF2, UF3和YF3组成的组。另外，所述非晶态离子导体组合物进一步包括氟化物玻璃网络修饰体。另外，所述氟化物玻璃网络修饰体是已知的氟化物导体或者有助于氟化物的电导率。另外，所述氟化物玻璃网络修饰体选自由LaF3、BiF3、PbF2, KF、CaF2> BaF2> SnF2> SrF2或稀土金属氟化物组成的组。另外，所述锂进一步包括已知的锂离子导体。另外，所述锂是以氟化锂的形式。另外，所述正极是通过与正极集流体的反应形成。另外，所述正极活性集流体包括Ag、Au、Bi、Pb、Sn、Cu、Pt、Pd、Fe、Mn、Ni、Mo、V中的至少一种或其组合。另外，所述正极活性集流体包括La、Ca、Ba、Sr、0和S中的至少一种。另外，所述正极活性集流体由碳组成。另外，所述碳是选自碳纳米管或石墨烯的一种碳。另外，所述负极是通过与负极集流体的反应形成。另外，所述活性负极集流体包括Ag、In、Al、Si、Sn、Ge、Mg、Au、Pd、Bi、Pb、石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。另外,所述导体形成一种组分梯度材料，所述组分梯度材料使组合物的部分电化学氧化形成正极或电化学还原形成负极。此外，非水液体电极置于负极活性集流体和非晶态固体状态的双离子导电电解质包覆的正极活性集流体之间。另外，非水液体电解质置于正极活性集流体和固体状态的双离子电解质包覆的负极活性集流体之间。附图的详细说明图IA显示在厚度为大约I微米、8毫米X 14毫米的整体结构中具有大约250微米数字宽度和大约250微米间距的叉指阵列示意图。图IB显示使用LiF锂导体和各种氟化物导电玻璃网络修饰体制备的AlF3/LiF/CaF^i合物的XRD图。图IC显示本专利技术的一个使用互穿3-D活性正极集流体的实施方案的示意图。图2A显示非晶态AlF3/LiF/CaF2组合物的电流(mA)对电压的图。图2B显示本专利技术的一个使用双离子导电非晶态电解质包覆的活性正极并包括非水Li+导电电解质的实施例的示意图。图3显示已经在5V恒定电流下充电的电池的放电曲线的电压对时间的图。图4显示使用LiF锂导体和多种氟化物导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·G·阿马图奇，法德瓦·拜德威，安娜·哈拉杰寇，
申请(专利权)人：拉特格斯，新泽西州立大学，格伦·G·阿马图奇，法德瓦·拜德威，安娜·哈拉杰寇，
类型：发明
国别省市：