[發明專利]用于beta電池的陽極毛細層及包含其的beta電池

有效

• 申請號: 201210157239.0
• 申請日: 2012-05-17
• 公開（公告）號: CN102646833A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 溫兆銀;胡英瑛;吳相偉;曹佳弟;吳梅芬;張敬超
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M4/80
• 分類號: H01M4/80;H01M10/39
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 項丹

技術領域

本發明涉及鈉硫電池等beta電池，更具體地說，涉及一種用于鈉硫電池等beta電池的陽極毛細層，以及包含該陽極毛細層的beta電池。

背景技術

上個世紀七十年代以來，鈉硫電池作為一種典型的beta電池，以其能量密度高，循環效率高，成本低廉，環境友好等優點，在電動汽車和儲能等諸多領域引起了世界各國廣泛的興趣。目前，只有日本、美國和中國等少數國家在研究鈉硫電池，并且只有日本將鈉硫電池產業化，而我國尚在努力之中。鈉硫電池最終實用化所面臨的關鍵問題是進一步降低電池內阻和提高電池的安全性。對于鈉硫電池和其它beta電池的陽極而言，提高鈉與beta-氧化鋁等固體電解質之間的潤濕性和保證鈉與固體電解質之間的良好接觸是兩個很重要的課題。以beta-氧化鋁為例，鈉與beta-氧化鋁之間的潤濕差會導致鈉與beta-氧化鋁界面產生嚴重極化，使得電流在極化處大量聚集最終破壞beta-氧化鋁陶瓷，從而使電池失效，甚至產生安全問題。因此，在不增加電池內阻的前提下，提高鈉與beta-氧化鋁等固體電解質之間的潤濕性成為提高beta電池安全性能的一個重要途徑。同時，為提高鈉的利用率，解決鈉與beta-氧化鋁等固體電解質的接觸問題，在beta-氧化鋁等固體電解質附近加入多孔的陽極毛細層，利用毛細作用保證鈉與電解質的接觸。研究發現，不引入過量金屬鈉，而對beta-氧化鋁等固體電解質表面進行修飾是提高鈉與beta-氧化鋁等固體電解質之間首次潤濕性的有效手段。很多材料，包括金屬、氧化物、碳化物、氮化物粉末以及多孔納米金屬等，已經被研究用于修飾beta-氧化鋁等固體電解質表面。其中，在beta-氧化鋁等固體電解質上包覆一層鉛或鉍（英國專利申請2067005）、低熔點的Na離子導體胺基鈉（PCT/GB?90/01584，WO?91/06133）以及在其表面包覆一層多孔納米金屬（英國專利1530274和1511152）等都達到了較好的效果。多孔材料因其擁有更大的比表面積，較顆粒材料能更大程度提高潤濕性，同時可以作為陽極毛細層，但多孔材料與beta-氧化鋁等固體電解質之間結合力差是一直困擾其應用的主要問題。針對這一問題，之前的研究工作者一般是采用物理沉積法，如火焰濺射法和等離子體濺射法等，進行多孔材料的表面包覆。但是這類處理方法技術工藝相對較復雜、成本較高，一般需要在高真空下操作，不能滿足實際大規模應用的需要。因此，探索一種與beta-氧化鋁等固體電解質表面直接結合良好的多孔的毛細過渡層成為改善Na-beta電池的性能和安全性，降低電池內阻的一個重要研究問題。

因此，本領域迫切需要開發出一種直接與beta-氧化鋁等固體電解質結合良好，用于鈉硫等beta電池陽極的毛細層，該毛細層可以實現beta-氧化鋁等固體電解質與鈉之間的潤濕性顯著改善，保證鈉與固體電解質之間的良好接觸，在不增加電池內阻的前提下改善Na-beta電池的界面極化和安全性。

發明內容

本發明提供了一種新穎的用于beta電池的陽極毛細層及包含其的beta電池，從而解決了現有技術中存在的問題。

一方面，本發明提供了一種用于beta電池的陽極毛細層，所述beta電池包括陽極、固體電解質和陰極，所述陽極毛細層包括：

多孔金屬介質，所述多孔金屬介質沿所述固體電解質表面設置，以在所述固體電解質表面實現所述陽極與所述固體電解質的良好接觸；以及

活性流體分布層，所述活性流體分布層設置在所述固體電解質與所述陽極之間，用以實現離子和電子的有效傳輸。

在一個優選的實施方式中，所述固體電解質與所述多孔金屬介質直接接觸，以防止所述陽極毛細層與固體電解質脫離。

在另一個優選的實施方式中，所述多孔金屬介質在所述固體電解質與所述陽極之間形成導電網絡。

在另一個優選的實施方式中，所述多孔金屬介質由納米級的金屬纖維組成。

在另一個優選的實施方式中，所述多孔金屬介質的平均孔尺寸大于活性流體的分子尺寸。

在另一個優選的實施方式中，所述固體電解質選自鈉離子導體陶瓷和鈉離子導體玻璃，如beta-Al₂O₃或Na₅GdSi₄O₁₂。

在另一個優選的實施方式中，所述多孔金屬介質由在所述固體電解質表面上流延的、涂覆的或噴涂的材料形成。

在另一個優選的實施方式中，所述多孔金屬介質選自鐵、鈷、鎳、鉻、錳和鎢，以及它們的合金或混合物。