钠-硫属元素-电池制造技术

本发明专利技术涉及在室温可操作的钠-硫属元素-电池，特别是钠-硫-或钠-氧-电池，其阳极（1）和阴极（2）通过传导钠离子而不传导电子的固体电解质（3）分开，并且其阴极（2）包含传导钠离子和电子的固体电解质（4a，4b）。此外，本发明专利技术涉及这种钠-硫属元素-电池的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钠-硫属元素-电池本专利技术涉及钠-硫属元素(Chalkogen)-电池和这种电池的制备方法。现有技术钠-硫-电池在传统方式上在硫和钠是液态的温度(约300°C)工作，从而保证了足够的导电性和足够的钠离子传输，以及反应物(硫、钠离子和电子)之间足够的接触。对于这种高温-钠-硫-电池，通常使用硫-石墨-复合材料作为阴极材料。但是，具有硫-石墨阴极的钠-硫-电池在室温下不能工作，因为固体硫和石墨的钠离子传导性不充足。此外，在这种钠-硫-电池反复充电和放电过程中可能出现取决于相转化的、不可逆的电容损失。对于钠-硫-电池，使用液体电解质可能导致钠阳极与电解质、电解质溶剂或聚硫化物反应和腐蚀。此外，在反复的充电和放电过程中可能在电极之间形成钠树枝状晶体(dendrite)而使该电池短路。
技术实现思路
本专利技术的主题是钠_硫属兀素_电池，特别是钠_硫-电池或钠_氧-电池，该电池包含阳极(负极)和阴极(正极)，其中该阳极含有钠，而该阴极含有至少一种硫属元素，特别是硫和/或氧。其中，该阳极和该阴极优选通过至少一种传导钠离子而不传导电子的固体电解质分开。此外，该阴极优选包含至少一种传导钠离子和电子的固体电解质。在本专利技术的范围，作为传导钠离子的材料特别是指在25 °C时钠离子传导能力^ l*10_6S/cm的材料。在本专利技术的范围，作为不传导电子的材料是指在25°C时电子传导能力< l*l(T8S/cm 的材料。通过传导钠离子而不传导电子的固体电解质分开阳极和阴极的优点在于，可以以这种方式避免短路。传导钠离子和电子的固体电解质作为阴极材料的优点在于，可以在室温保证足够的钠离子导电能力。因此，可以有利地提供基于固体的低温八室温)_钠-硫-电池。其中可以放弃液态的和任选可燃的电解质。因此，可以有利地可以提供具有改善的长期稳定性和安全性的电池。此外，传导钠离子和电子的固体电解质可以同时起到电流导体的作用，从而可以放弃用来提高导电性的附加添加剂，并优化电池的总能量密度。在一个实施方式的范围，所述阴极包含至少一种由传导钠离子和电子的固体电解质形成的导电元件。通过这种导电元件可以有利地将钠离子和电子传输到硫属元素反应参与物。举例来说，所述导电元件可以以多孔的，例如海绵状的物体或者以例如由纳米线或纳米纤维制成的线-或 纤维编织物的形式而形成。其中纳米线或纳米纤维可以特别是指平均直径为≤500nm，例如≤IOOnm的线或纤维。但是，所述阴极同样可以包括多个例如棒状的、板状的或网格状的导电元件。在另一实施方式的范围，导电元件或多个导电元件的一段与传导钠离子而不传导电子的固体电解质接触，而导电元件或多个导电元件的另一段与阴极集流体接触。以这种方式可以保证好的钠离子和电子传导。例如一段以多孔物体或线-或纤维编织物的形式而形成的导电元件与传导钠离子而不传导电子的固体电解质接触，而另一段以多孔物体或线-或纤维编织物的形式而形成的导电元件与阴极集流体接触。在另一实施方式的范围，所述阴极包含多个由传导钠离子和电子的固体电解质形成的导电元件，分别地这些导电元件的一段接触传导钠离子而不传导电子的固体电解质，而其另一段接触阴极集流体。以这种方式可以保证特别好的钠离子和电子传导。举例来说，所述阴极可以包含多个扁平的或拱形的、彼此间有一定距离的板状或网格状导电元件，这些导电元件分别一方面与传导钠离子而不传导电子的固体电解质接触，而另一方面与阴极集流体接触。其中，所述导电元件基本上可以彼此平行设置。例如，所述导电元件可以类似百叶窗片彼此相关地设置。相对于传导钠离子而不传导电子的固体电解质和阴极集流体，所述导电元件基本上可以垂直地设置。在另一实施方式的范围，在所述导电元件/多个导电元件上由传导钠离子和电子的固体电解质形成结构。通过该结构可以有利地扩大导电元件的表面，并因此扩大用于钠-硫属元素-氧化还原反应的面积。该结构例如可以是指几个微米或纳米范围的结构。所述导电元件和结构可以由相同的和不同的传导钠离子和电子的固体电解质而形成。特别是所述导电元件和结构可以由相同的传导钠离子和电子的固体电解质而形成。在另一实施方式的范围，所述结构由例如针状的、传导钠离子和电子的固体电解质晶体而形成。这种结构例如可以通过水热合成在导电元件上而形成。在另一实施方式的范围，所述传导钠离子和电子的固体电解质，特别是导电元件和/或结构的固体电解质，包含特别是具有三价钛的钛酸钠。所述传导钠离子和电子的固体电解质特别是可以由尤其具有三价钛的钛酸钠而形成。在本专利技术的范围，钛酸钠是指纯钛酸钠和钛酸钠混合氧化物或掺杂的具有一种或多种杂原子(除了钠和钛以外的其它金属阳离子)、特别是杂原子氧化物的钛酸钠，特别是其中杂原子数总计> 0%到< 10%，例如>0%到彡1%，基于钛原子数计。具有三价钛的钛酸钠可以有利地具有相比于唯一地含有四价钛的钛酸钠更高的电子传导能力。因此，含有三价钛的钛酸钠特别适用于作为传导钠离子和电子的固体电解质。在钛酸钠混合氧化物或掺杂的钛酸钠的情况，可以有利地通过调节杂原子的种类和数量来调节钠离子传导能力和电子传导能力。特别是含有三价钛的钛酸钠可以是含有一种或多种杂原子氧化物的钛酸钠混合氧化物，该杂原子氧化物选自氧化钠、氧化锂、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化锌、氧化铁、氧化招、氧化镓、氧化错、氧化猛、氧化娃、氧化银、氧化钽和氧化秘，或者该含有三价钛的钛酸钠可以是用一种或多种杂原子掺杂的，该杂原子选自钠、锂、镁、钙、钡、锌、铁、铝、镓、锆、锰、硅、铌、钽和铋。例如所述含有三价钛的钛酸钠混合氧化物可以含有一种或多种杂原子氧化物，该杂原子氧化物选自氧化钠、氧化锂、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化锰(II)、氧化锌、氧化铁(II)、氧化招、氧化镓、氧化银(III)、氧化猛(III)、氧化铁(III)、氧化错、氧化猛(IV)、氧化娃、氧化银(V)、氧化钽和氧化秘CO,或者该含有三价钛的钛酸钠可以是用一种或多种杂原子掺杂的，该杂原子选自钠、锂、镁、钙、钡、锰(II)、锌、铁(II)、铝、镓、铌(III)、锰(III)、铁(III)、锆、锰(IV)、硅、铌(V)、钽和铋(V)。 其中，优选将钛酸钠的钛位置用杂原子来代替用钛的占据。例如可以用铝、镓、铌(III)、锰(III)和/或铁(III)和/或用镁、钙、钡、锰(II)、锌和/或铁(II)和锆、锰(IV)和/或娃和/或用钠和/或锂和银(V)、钽和/或秘(V)来占据钛(III)的位置。在另一实施方式的范围，所述传导钠离子和电子的固体电解质，特别是导电元件和/或结构的固体电解质，包含具有三价钛的钛酸钠，特别是通式(I)的钛酸钠: Na2TiIvn_xTimx02n+1_x/2:M0 其中2彡n彡10和0彡x彡n和MO表示一种或多种选自下列的杂原子氧化物:Na20、Li20、MgO、CaO、BaO、MnO、ZnO、FeO、Ti203、A1203、Ga203、Nb203、Mn203、Fe203、Zr02、Mn02、Si02、Nb2O5Ja2O5和Bi2O5,或不代表任何杂原子氧化物，即Na2TiIvn_xTi x02n+l-x/2，其中2彡n彡10和0 < X < n。所述传导钠离子和电子的固体电解质特别地可以由通式(I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：A莫克，U艾泽勒，A罗格亚特，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：
国别省市：