[發明專利]鈉離子為主的水相電解質電化學二次能源儲存裝置

有效

• 申請號: 200980117386.1
• 申請日: 2009-04-03
• 公開（公告）號: CN102027625B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 杰伊·惠特克
• 申請（專利權）人: 卡內基美濃大學
• 主分類號: H01M10/38
• 分類號: H01M10/38;H01M4/38;H01M4/50;H01M4/58;H01M4/04
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司11287
• 代理人: 劉國偉

相關申請案的交叉引用

本申請案主張以下美國臨時專利申請案的優先權：2008年4月7日申請的第61/123,230號、2008年6月13日申請的第61/129,257號和2009年2月20日申請的第61/154，156號，這些申請案以全文引用的方式并入本文中。

技術領域

本發明一般涉及水相電解質電化學二次能源儲存裝置和其中所用材料。

背景技術

小型可再生能量收集和發電技術(例如太陽能電池陣列、風力機、微型斯特林發動機(micro sterling engine)和固體氧化物燃料電池)正處于高速發展中，且對于中等規模的二次(可再充電)能源儲存能力存在相當強的需求。用于這些固定應用的電池通常儲存1kWh至50kWh的能量(視應用而定)且在歷史上是基于鉛酸(Pb-酸)化學物質。深循環式鉛酸電池組是組裝于分布式發電點且己知可維持1年至10年，視典型工作循環而定。雖然這些電池運作良好足以支持這一應用，但存在大量與其使用相關的問題，包括：導致環境不清潔的鉛和酸的大量使用(據估計，僅在美國，鉛酸技術導致每年有超過100,000噸的鉛釋放到環境中)；如果保持在中等充電狀態或日常循環至深度放電水平，則性能顯著降低；需要日常維護以維持性能；和實施必需的再循環程序。強烈需要替換如汽車工業所使用的鉛酸化學物質。遺憾的是，替代性電池化學物質的經濟因素使得其成為迄今毫無吸引力的選項。

無論電池技術的所有最新進展如何，仍未找到鉛酸化學物質的廉價、清潔替代物。這大部分是歸因于鉛酸電池比其它化學物質明顯便宜(＜$200/kWh)，且目前集中于開發用于運輸應用的更高能源系統(其本質上比鉛酸電池顯著更昂貴)。

發明內容

本發明實施例提供一種混合式水相二次能源儲存裝置，其包含陽極電極、能夠使鈉陽離子可逆性嵌入的陰極電極、隔板和含有鈉陽離子的水相電解質，其中初始活性陰極電極材料包含在所述裝置的初始充電期間使堿金屬離子脫嵌的含堿金屬的活性陰極電極材料。

其它實施例提供一種操作混合式水相能源儲存裝置的方法，所述裝置包含陽極電極、陰極電極、隔板和含鈉水相電解質，所述方法包含：在所述裝置的初始充電期間使堿金屬離子自活性陰極電極材料中脫嵌；在放電循環期間使鈉離子可逆性嵌入活性陰極電極材料內；和在隨后的充電循環期間使鈉離子自活性陰極電極中脫嵌。

如本文中所使用，術語電負性是用于描述原子將共價鍵中的電子吸向其自身的能力。可使用數種不同標度來描述電負性。除非另有說明，否則本文中所指示的電負性值是根據鮑林標度(Pauling scale)。

如本文中所使用，術語法拉第反應(faradaic reaction)表示引起相關物質的氧化或還原的反應。舉例來說，在本發明實施例中，當鈉陽離子嵌入活性陰極材料內時，活性陰極材料必須經還原(即，電子必須轉移至活性陰極材料)以便保持主體材料的電中性。相反，非法拉第過程涉及電荷積聚于電極/溶液界面的表面處，從而形成電雙層。

如本文中所使用，術語二次能源儲存裝置與術語二次電池可互換使用。

附圖說明

圖1展示本發明實施例的混合式能源儲存裝置所用的一種可能的充電/放電機制的圖解。

圖2展示根據本發明實施例的二次能源儲存裝置的示意圖。

圖3展示由根據實例1中所述的方法合成的尖晶石結構Li_1.05Mn_1.89Al_0.06O₄獲得的X-射線衍射圖。

圖4展示Li自如實例1所述的尖晶石Li_1.05Mn_1.89Al_0.06O₄中脫嵌后，由尖晶石結構Mn_1.89Al_0.06O₄(摻Al的λ-MnO₂)獲得的X-射線衍射圖。

圖5A和圖5B展示圖3與圖4的X-射線衍射圖存在一部分重疊。

圖6展示在10個調節循環后獲得的關于Na₂SO₄水相電解質中的脫鋰化摻鋁λ-MnO₂活性陰極材料的三個連續循環的伏安圖的數據。

圖7展示Na₂SO₄水相電解質中的活性碳陽極材料的循環伏安圖數據。未觀測到不同的還原-氧化峰。