离子凝胶电解质、储能设备及其制造方法技术

一种电化学电池，包括固态可印刷阳极层、阴极层和连接所述阳极层和阴极层的非水凝胶电解质层。所述电解质层在所述阳极层和所述阴极层之间提供了物理隔离，且包括了配置成通过在所述阳极层和所述阴极层之间有助于多价离子传输而在所述阳极层和所述阴极层之间提供离子连通的组合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及电化学电池，且更具体地涉及离子液体凝胶电解质化学组成和性质及制造可以与设备一起用作单次使用或可充电电源的电池的方法。
技术介绍
减少电子设备形状因素及其功率需求有可能实现较薄的、紧凑的和轻便的新设备。便携式设备的发展可以部分归因于电池电极材料的进步及其与电解质材料相容性的结合。例如，开发更有效的高能量密度的锂和锂离子电极材料使得便携式的，紧凑的，高容量电池成为可能，而锂和锂离子固体聚合物和凝胶电解质的引入放松了对于电池刚性和坚硬包装的要求，带动了密封在袋状材料中的较薄电池的广泛应用。除了性能和形状因素的益处之外，固态、聚合物和凝胶电解质的使用在电池制造、成本和固有安全性方面引入了额外的改善。因此，将相当多的努力投入在固态、聚合物和凝胶电解质开发方面。通过低功耗传感器，无线设备和印刷电子设备的增加的普遍性推动了对于较薄的，小型化的和低成本的电池的需求。减少电子设备的形状因素及其功率需求有可能实现完全集成的微型设备平台，其中计算，通信和传感能力全部由集成电源激活。具体地，基于MEMS的传感器和致动器(尤其在称为“智能尘埃(smart dust)”自主的集成平台中)在开发薄型电池和微型电池技术中已经得到了巨大的驱动。这些设备(尤其是自主式无线传感器节点)的广泛利用表明对于许多领域是关键的，包括:“物联网(internet of things)”、能够“自我量化”的可佩戴的电子设备、智能标签、智能玩具、结构监测、和家庭、工业、以及办公室能源消耗应用的成本有效的和能量有效的调节(仅举几个例子)。这些多种类型的设备需要可以根据应用提供微瓦(UW)至数百毫瓦(mW)的功率以及从微安时(U Ah)至数百毫安时(mAh)的容量的电源。此外，对于许多便携式或普遍的应用，希望电源的尺寸不大于其供电的设备且在形状因素方面较薄。最后，低成本和大规模制造解决方案是至关重要的。对于针对这些应用正在考虑的现有电池系统而言，尽管均具有限制其广泛应用的重大缺陷，薄膜，锂聚合物和半印刷电池是优先考虑的。由于材料沉积的限制，气相沉积的薄膜锂和锂离子电池具有较低的存储容量和功率能力。锂聚合物电池推动了 口袋电池制造的快速进步，但是类似于薄膜锂和锂离子电池，由于对环境污染的敏感性，其被严格的气密封装要求所困扰。半印刷电池通常使用液体电解质，这增加了电池的几何形状以及制造的复杂性。根据应用，这类微型设备需要覆盖面积小于Icm2和厚度为几毫米或更小的等级的电源，这种电源可以在微瓦(UW)至毫瓦(mW)的范围内供应能量。对于能够满足这类无线设备的功率要求并且具有可比较尺寸的微型电源的需要在微制造，能量获得和能量存储领域已经引起了研究热潮。对于自主性无线传感器，目前正在考虑的微型储能设备是微型电池和微型电容器。虽然微型电池化学可能类似于宏观电池化学，低于厘米级的宏观电池的配置、包装和后处理是不可行的。因此，除了材料优化，微型电池的研究人员已经主要地集中于将微型电池直接集成在与它们正在供电的设备相同的基底上。尚没有发现理想的微型电池(或微型电容器)解决方案。镍-锌系统存在着在循环过程中锌树枝状晶体产生并且电极形状改变的问题，因此降低了循环寿命。可再充电的碱性锰电池和锌-银氧化物电池存在着同样的问题。锂离子和锂聚合物系统要求严格的充电和放电规则且造成了易燃危险。所需要的是能够使微型设备用于广泛多样应用中的安全的、长效的、廉价的微型电源。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，用室温离子液体电解质膨胀聚合物来形成非水凝胶从而代替锌-金属氧化物电池的常规的碱性和酸性液体电解质(和隔离物)。在本专利技术的另一个方面，由夹在锌电极和金属氧化物电极之间的离子液体凝胶电解质制造印刷电池。在本专利技术的另外的方面，电化学电池包括阳极层、阴极层、和连接所述阳极层和阴极层的非水凝胶电解质层；其中所述电解质层在阳极层和阴极层之间提供了物理隔离且包括其中吸收了至少一种离子液体和一种电解质盐的聚合物；所述电解质层包括配置成通过有助于多价离子在阳极层和阴极层之间传导而在阳极层和阴极层之间提供离子连通的组合物。另一个方面是配置成在电化学电池的阳极和阴极之间提供物理隔离的电解质。所述电解质包括吸收在聚合物中以形成非水凝胶的室温离子液体电解质；其中所述电解质配置成通过有助于多价离子横过电解质传导而在阳极和阴极之间提供离子连通。另外的一个方面是制造电化学电池的方法，包括下述步骤:提供第一电极油墨和第二电极油墨；提供液体电解质油墨；印刷所述第一电极油墨的第一电极层；印刷电解质油墨的层；以及印刷所述第二电极油墨的第二电极层。所述电解质油墨层在第一电极层和第二电极层之间提供了物理隔离从而形成电化学电池；并且配置成通过有助于多价离子在第一电极层和第二电极层之间传导而在第一电极层和第二层之间提供离子连通。本专利技术的另外的方面将会在说明书的下面部分中给出，其中详细说明是为了充分公开本专利技术的优选实施例的目的，并非对其进行限制。附图说明通过参考下面附图将会更加全面地理解本专利技术，这些附图仅仅用于说明目的:图1是根据本专利技术的印刷电源的示意图。图2显示了根据本专利技术的可替代的2-D平板电池结构的示意图。图3是根据本专利技术结合一列电池的设备的示意图。图4是根据本专利技术用于分配器印刷的油墨合成方法的示意图。图5A至显示了根据本专利技术用于生产印刷电池方法的示意图。图6是根据本专利技术针对形成印刷微型电池配置的分配器印刷机的示意图。图7显示了相对于针对复合料浆和聚合物溶液油墨施加的剪切速率的黏度。由分配器印刷机施加的剪切速率范围和对应的印刷特征尺寸对于两种油墨都加上括号。图8A和8B显示了在本专利技术的凝胶电解质中离子液体/聚合物的显微图。图9显示了具有0至0.75M锌盐浓度的离子液体电解质的电化学势的稳定性。出现较大的电流密度相应于电解质分解。图10显示了离子液体电解质的离子电导率和黏度，为锌盐浓度的函数。图11显示了相对于离子浓度，锌和锂离子-离子液体电解质系统的离子电导率的比较。图12显示了在锌和锂离子-离子液体电解质系统中活性离子的扩散系数的比较。图13是具有范围从0至0.75M的锌盐浓度的离子液体电解质的伏安图的曲线图。图14显示了由具有0至0.75M的锌盐浓度的离子液体电解质测量的锌溶解电流密度峰值的循环性能。图15显示了随着在PVDF-HFP中离子液体浓度变化凝胶的室温离子电导率。图16是锌、凝胶电解质和二氧化锰印刷的微型电池的横截面的显微图。将镍箔集电器去除从而可以对印刷结构成像。图17A显示了印刷的锌、凝胶电解质和MnO2微型电池的电池电势，为恒流放电深度百分数的函数。放电速率是C/3。图17B显示了相应于印刷的锌、凝胶电解质和MnO2微型电池的图17A的曲线中显示的三个点(1.267VU.393V和1.620V)的平衡电池电势的充电阻抗光谱。图18显示了包括印刷的MnO2复合电极、凝胶电解质和锌箔电极的电池的第一个11次恒流循环。使用C/5的放电速率。在第7次循环和第9次循环之间观察到了明显的放电容量增加。图19A和19B显示了印刷的MnO2电极、凝胶电解质和锌箔电极电池的电势比较。比较了第3次和第11次循环的恒流充电(图21A，电势增加)和放电(图21B，电势减小)电势。图20显示了在C/5的速率下印本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.13 US 61/382,0271.一种电化学电池，包括: 阳极层； 阴极层；和 连接所述阳极层和阴极层的非水凝胶电解质层； 所述电解质层在所述阳极层和所述阴极层之间提供了物理隔离； 所述凝胶电解质层包括其中已经吸收至少一种离子液体和电解质盐的一种聚合物； 所述电解质层包括配置成通过在所述阳极层和所述阴极层之间有助于多价离子传输而在所述阳极层和所述阴极层之间提供离子连通的一种组合物。2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极层、阴极层和电解质层包括能够变形而不会显著地丧失性能的柔性的、可压缩层。3.如权利要求2所述的电化学电池，其中所述电池包括一种蓄电池组电池。4.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述蓄电池组电池是一种可再充电的蓄电池组电池。5.如权利要求1所述的电化学电池，进一步包括:与所述阴极电连通的第一集电器；以及与所述阳极电连通的第二集电器。6.如权利要求1所述的电化学电池，其中将所述阳极层、阴极层、电解质层和集电器中的一个或多个配置成以液体形式沉积基底并且在一段时间后固化成至少半固态。7.如权利要求1所述的电化学电池，其中将所述电池配置成在没有额外包装的情况下在周围环境中工作超过4个月。8.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述聚合物网络包括选自由以下组成的组中的一种或多种聚合物:聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯六氟磷酸酯(PVDF-HFP)、聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧衍生物、硅酮衍生物。9.如权利要求1所述的电化学电池，其中溶解在所述离子液体中的电解质盐释放选自由以下组成的组中的阳离子:锌离子(Zn2+)、铝离子(Al3+)、镁离子(Mg2+)和钇离子(Y2+)。10.如权利要求1所述的电化学电池，其中溶解在所述离子液体中的盐释放选自由以下组成的组中的阴离子:氯离子、四氟硼酸根(bf4_)、三氟醋酸根(CF3C02_)、三氟甲磺酸根(CF3S03-)、六氟磷酸根(PF6-)、双(三氟甲磺酰基)酰胺根(NTf2-)、双(氟磺酰基)酰亚胺根(N(SO2F) 2_)。11.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述离子液体是具有选自由以下组成的组中的阳离子的一种室温盐:咪唑鎗变体、吡咯烷鎗变体、铵变体、吡啶鎗变体、哌啶鎗变体、鱗变体、和锍变体。12.如权利要求11所述的电化学电池，其中所述离子液体是具有选自由以下组成的组中的阴离子的一种室温盐:氯离子、四氟硼酸根(BF4_)、三氟醋酸根(CF3C02_)、三氟甲磺酸根(CF3S03_)、六氟磷酸根(PF6-)、双(三氟甲磺酰基)酰胺根(NTf2-)、双(氟磺酰基)酰亚胺根(N(SO2F) 2_)。13.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极包括选自由以下组成的组中的成分:锌、招、镁、和乾。14.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极包括金属氧化物。15.如权利要求14所述的电化学电池，其中所述金属氧化物包括选自由以下组成的组中的一种或多种的成分:五氧化二钒(V2O5)、二氧化锰(MnO2)、钴氧化物(CoxOy)、钛氧化物(Tix0y)、和铅氧化物(PbxOyX16.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述集电器包括金属箔，所述金属箔包括选自由以下组成的组中的一种金属:镍、不锈钢、金、和铝。17.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极层和所述阴极层各自具有在Sym至60 ii m之间的厚度。18.如权利要求1所述的电化学电池,其中所述电解质具有大约在Iym至15iim之间的厚度。19.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述集电器包括各自具有在8y m至60 y m之间厚度的印刷层。20.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述集电器包括各自具有在Iy m至80 y m之间厚度的金属箔。21.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述液体电解质包括在离子液体中在0.2至0.75M之间的锌盐浓度。22.如权利要求21所述的电化学电池，其中所述液体电解质包括在0.4至0.75M之间的锌盐浓度。23.如权利要求21中所述的电化学电池，其中所述液体电解质包括在0.45至0.65M之间的锌盐浓度。24.如权利要求22所述的电化学电池，其中所述液体电解质具有高于2.3mS/cm的离子电导率。25.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池具有范围在0.0OlmA/cm2至100mA/cm2之间的电流密度输出。26.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从20° C至45° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于50 ii A/cm2的输出泄露电流山/又o27.如权利要求26所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从20° C至45° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于25 ii A/cm2的输出泄露电流山/又o28.如权利要求27所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从20° C至45° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于15 ii A/cm2的输出泄露电流山/又o29.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从45° C至90° C的温度下持续大于I个月的时间时，保持小于75 ii A/cm2的输出泄露电流山/又o30.如权利要求29所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从45° C至90° C的温度下持续大于I个月的时间时，保持小于50 ii A/cm2的输出泄露电流山/又o31.如权利要求30所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从45° C至90° C的温度下持续大于I个月的时间时，保持小于40 u A/cm2的输出泄露电流山/又o32.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于周边环境下持续大于6个月的时间时,保持小于15iiA/cm2的输出泄露电流密度。33.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从-20° C至20° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于50 ii A/cm2的输出泄露电流密度。34.如权利要求33所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从-20° C至20° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于25 ii A/cm2的输出泄露电流密度。35.如权利要求34所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于范围从-20° C至20° C的温度下持续大于3个月的时间时，保持小于15 ii A/cm2的输出泄露电流密度。36.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述凝胶电解质层配置成当暴露于低于-20° C的温度下持续大于I天的时间时，保持小于75 y A/...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·怀特，詹姆斯·埃文斯，何志芬，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，印记能源有限公司，
类型：
国别省市：