一种如电池或电源的电化学装置在严苛或极端条件下提供改进的性能。用于高温条件下的这样一种电化学装置可包括至少一个阴极、锂基阳极、隔膜和离子液体电解质。这种装置还可包括对于所述装置的其它组件呈电化学惰性的集电体和外壳。这种电化学装置可在从0℃到180℃、200℃、220℃、240℃和260℃的范围内的温度下运行。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容大致涉及将化学能转化成电化学电流的电化学装置，且更具体地涉及可在极端条件下使用的电化学装置。专利技术背景 全球范围内能源需求的增加以及较易开采的油田储量的衰竭推动对更恶劣或极端环境(如深水)的探索并且正在进行地热能钻探。这些恶劣环境通常涉及高压和/或高温条件。这些高压和/或高温条件通常对给井下设备供电的装置提出更严苛的要求。过去，锂亚硫酰氯(LiSOCl2)电池已作为在油井井下开采中广泛使用的电源。但是，LiSOCl2电池本身由于锂的低熔化温度而在高温下不稳定且这些物理性质易于将LiSOCl2电池的运行温度限制为最高200°C。LiSOCl2电池超过这些限值可能导致电池故障、性能劣化和潜在的电池爆炸。专利技术概要本公开内容的实施方案大致提供一种用于高温条件下的电化学装置，所述装置包括至少一个阴极、锂基阳极、离子液态电解质和隔膜，其中所述装置在从大约0°c到180°C、200°C、220°C、240°C或260°C的范围内的温度下运行。阴极可以是具有化学式CFx的氟化碳，其中X在0.3到I的范围中。氟化碳可在无表面活性剂的情况下形成。或者，阴极可包括MnO2或FeS2。锂基阳极可选自包括锂、具有化学式LixMy的二元合金和Li-B-Mg或Li_Mg_xM的锭合金的组，其中M是镁、硅、铝、锡、硼、钙或其组合。离子液体电解质可通过在选自包括EMI、MPP、BMP、BTMA, DEMMoEA、杂化电解质和其混合物的组的离子液体中溶解锂盐而形成。隔膜可选自来自包括纤维玻璃、PTFE、聚酰亚胺、氧化铝、二氧化硅和氧化锆的组的至少一种材料。根据本公开内容的实施方案形成的这种电化学装置可包括由下列材料的至少一种形成的集电体镍、钛、不锈钢、铝、银、金、钼、碳布和碳包覆钛或不锈钢。阴极还可被压到泡沫或网格上以形成集电体。这种电化学装置还可包括由下列材料的至少一种形成的外壳不锈钢、高镍不锈钢、钛、贵金属电镀不锈钢和非金属包覆不锈钢。或者，阴极可以直接附接至装置的外壳。装置可具有选自包括线轴结构、薄层涂层、螺旋缠绕结构和中厚层包裹结构的组的构造。本公开内容的另一个实施方案涉及高温电源，其包括氟化碳阴极、锂基阳极、隔膜和离子液体电解质，其中电源在从大约0°c到260°C的范围内的温度下运行。离子液体电解质可通过在选自包括EMI、MPP、BMP、BTMA, DEMMoEA、杂化电解质和其混合物的组的离子液体中溶解锂盐而形成。锂基阳极可选自包括锂、具有化学式LixMy的二元合金和Li-B-Mg和Li-Mg-xM的锭合金的组，其中M是镁、硅、铝、锡、硼、钙或其组合。本公开内容的另一个实施方案涉及用于高温条件下的电池，所述电池包括低价氟化碳阴极、对应重量比为64 32 4的Li-B-Mg阳极和离子液体电解质，其中电池在从大约0°C到260°C的范围内的温度下运行。低价氟化碳可具有化学式CFx，其中X具有O. 9的值。离子液体电解质可在溶解在MPP中的LiTFSI的浓度为O. IM至IM的范围内。电池还可包括隔膜，所述隔膜包括选自包括聚酰亚胺、PTFE、多孔陶瓷，如氧化铝、二氧化硅或氧化锆或纤维玻璃和其组合的组的两层材料。所述电池还可包括由镍、不锈钢、铝、银、金、钛、碳布或碳包覆不锈钢或钛形成的网状集电体。附图简述为了更全面地理解本公开内容和其特征，现将结合下列附图参考下文描述，其 中图I描绘根据本公开内容的实施方案的在高温暴露接触碳包覆钛后的CFx阴极材料的X射线衍射分析；图2描绘根据本公开内容的实施方案的在高温暴露接触不锈钢316后的CFx阴极材料的X射线衍射分析；图3描绘根据本公开内容的实施方案的在高温暴露接触镍合金625后的CFx阴极材料的X射线衍射分析；图4描绘根据本公开内容的实施方案的阳极的差示扫描量热(DSC)分析；图5描绘根据本公开内容的实施方案的离子液体电解质的热重分析(TGA)曲线；图6描绘根据本公开内容的实施方案的不同离子液体电解质的DSC分析；图7描绘根据本公开内容的实施方案的不同离子液体电解质的CFx阴极/电解质半电池构造的DSC分析；图8描绘根据本公开内容的实施方案的不同离子液体电解质的锂基阳极/电解质半电池构造的DSC分析；图9描绘根据本公开内容的实施方案形成的高温电池的放电曲线；附图说明图10描绘根据本公开内容的实施方案的高温电池的电压曲线。具体实施例方式功能性电池化学基于具有特定电动势(emf)以在电池中驱动电流流动的电化学耦合。电池涉及至少一种电化学反应，其在放电期间跨电极与其共同电解质之间的界面发生。因此，电化学装置的组件须彼此相容。对于高温条件，如可能在油田地下开采和生产操作中发生的高温条件，装置组件还应在暴露于极端条件时热稳定。电化学装置的其它组件，如电池外壳和集电体也需被构造来承受这些极端条件。本公开内容的实施方案提供电化学装置，如电池或电源，其将化学能转化成电化学电流，并且可在严苛或极端条件下提供改进的性能。所述装置可包括至少一个阴极，即包括低价氟化碳或一氟化碳的正电极；阳极，即负电极；和离子液体电解质。所述装置还可包括集电体以及包括对于装置的其它组件呈电化学惰性的材料的外壳。所述装置还应包括隔膜，所述隔膜可物理地和电隔离两个电极，同时允许离子电流跨电极流动。不同的装置组件-阳极、阴极、电解质、集电体、隔膜和电池外壳可由允许跨宽运行温度范围的可靠能源供应的材料形成。更具体地，形成根据本公开内容的实施方案的电化学装置的材料可被构造成在200°C或更高温度下运行，所述温度大约是锂亚硫酰氯(LTC)电池的当前运行极限。回到根据本公开内容的实施方案形成的电化学装置的阴极组件，固态阴极，如低价氟化碳或一氟化碳可用于极端高温度条件。这些类型的阴极材料可在大约350°C到600°C的温度下合成。这样的话，其是化学稳定的且在更高温度范围内不会热分解。低价氟化碳是具有通用化学式CFx，其中X的范围从大约O. 3到I的碳-氟层间化合物。这个范围内的氟化数可确保阴极的良好导电性并且增大阴极材料的功率密度。这个范围内的较高氟化数，如O. 9或更高可用于支持高容量/低速率应用。但是这个范围内的较低氟化数也可以用于获得高运行电压，在放电开始时无电压延迟。氟化碳阴极材料可使用可行的前体材料的阵列制作，包括但不一定限于活性炭、纳米碳和石墨。前体材料通常可具有小粒子大小以提供更大的表面积以及允许材料填充成 更高密度构造。这个更大表面积和更高密度构造还可促进更高功率和更高能量使用。此外，根据本公开内容的实施方案的阴极通常可在无除溶剂以外的组份的情况下形成，如水和/或异丙醇、粘合剂和Super P(碳)。这脱离了使用如表面活性剂的添加剂的传统阴极形成方法。在本公开内容的实施方案中，阴极可形成为CFx/碳/粘合剂，对应重量比为85/10/5。此外，应了解除一氟化碳和低价氟化碳之外的材料可用作根据本公开内容的实施方案形成的电化学装置的阴极组件。替代的阴极材料可包括MnOjPFeS2和其组合。MnO2已基于DSC分析评估并且在大约100°C到150°C的温度范围内性能良好。FeS2也展现与MnO2类似的性质和表现。集电体可用于提高根据本公开内容的实施方案的阴极利用率。例如，所选择的阴极材料可被压到由包括但本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.06 US 61/321,3091.一种用于高温条件下的电化学装置，所述装置包括 阴极、锂基阳极、离子液态电解质和隔膜， 其中所述装置在从0°c到180°C的范围内的温度下运行。2.根据权利要求I所述的装置，其中所述阴极选自包括下列物质的组 具有化学式CFx的氟化碳，其中X在O. 3到I的范围中、MnO2和FeS2。3.根据先前权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括由下列材料的至少一种形成的集电体镍、钛、不锈钢、铝、银、金、钼、碳布、碳包覆钛和碳包覆不锈钢。4.根据先前权利要求中任一项所述的装置，其中所述阴极被压到泡沫或网格上以形成集电体。5.根据先前权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括 由下列材料的至少一种形成的外壳不锈钢、高镍不锈钢、钛、贵金属电镀不锈钢和非金属包覆不锈钢。6.根据先前权利要求中任一项所述的装置，其中所述阴极直接附接至所述外壳。7.根据先前权利要求中任一项所述的装置，其中所述锂基阳极选自包括下列物质的组 锂、具有化学式LixMy的二元合金、...
【专利技术属性】
技术研发人员：W·张，C·巴瑟，R·费雷克，I·库珀，A·蒂鲁瓦纳玛莱，J·HF·程，J·R·王，S·琼斯，
申请(专利权)人：普拉德研究及开发股份有限公司，
类型：
国别省市：
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