[發明專利]用于產生可充電氧化物-離子電池單元的含鐵活性材料的固溶體法

有效

• 申請號: 201380005133.1
• 申請日: 2013-01-08
• 公開（公告）號: CN104040762A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 路春
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/50;H01M4/52;H01M10/39;H01M12/08
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 吳俊

技術領域

本發明涉及一種用于產生含鐵活性材料的合成方法，該含鐵活性材料能在高溫下保持其表面面積并可用于可充電氧化物-離子電池(ROB)單元的金屬電極。

背景技術

電能存儲對于電力經濟的有效增長和多種再生能源技術的實現至關重要。在過去二十年中，在便攜式應用、運輸、負載均衡和中央備份應用領域中，對電能存儲的需求顯著提高。

現有的電化學儲能系統成本過高，無法打入主要的新興市場。人們需要更高的性能，并且青睞符合環境要求的材料。需要電能存儲科技發生重大轉變，從而以較低的成本更多、更快地存儲電能，并實現更長的使用壽命，以便在主要市場中推廣普及。這些轉變大多都需要新材料和/或創新理念，并要求具有更高的氧化還原能力，與陽離子和/或陰離子更快并可逆地反應。

迄今為止，電池是最常見的電能存儲形式，其范圍從標準的日常用鉛-酸電池、由Kitayama在美國專利6,399,247B1中教導的鎳-金屬氫化物(NiMH)電池、由Isenberg在美國專利4,054,729中教導的金屬-空氣電池，直至由Ohata在美國專利7,396,612B2中教導的鋰-離子電池。后面幾種電池大多需要液體電解質系統。

電池的尺寸從用于開關中的鈕扣電池直至兆瓦級負載均衡應用中的電池。總體來說，它們是高效的儲電裝置，除了在最高功率密度情況下之外，它們的輸出能量通常高于輸入能量的90％。

這些年來，可充電電池已從鉛-酸電池發展為鎳-鎘電池和鎳-金屬氫化物(NiMH)電池，然后又發展為鋰-離子電池。在最初時，NiMH電池是用于計算機和手機等電子裝置的動力源，但是在該市場中，它們幾乎已經完全被鋰-離子電池取代，因為鋰-離子電池具有更高的儲能容量。目前，NiMH技術主要用于混合動力車輛的電池，但隨著鋰電池的成本逐漸降低，這種電池有可能被儲能容量更高的鋰電池所代替，前提是鋰電池的安全性和壽命得到進一步提高。在高級電池中，鋰-離子電池是大多數可充電電子裝置的主要電源。

人們需要的是能夠按要求快速并可逆地充放電的全新的大容量電能存儲裝置。人們還需要的是能夠長年正常工作且幾乎不需要維護的裝置。另外，人們還需要的是不依賴天然氣、烴類燃料或其改良副產品(例如氫氣)的裝置。一種可能的電池是可充電氧化物-離子電池(ROB)，例如在2011年6月24日提交的美國專利申請13/167,900和美國專利公告2011/0033769A1(Huang等人)中提出的可充電氧化物-離子電池。

ROB在本質上是氧濃差電池，它包括金屬電極、氧化物-離子導電電解質、以及空氣陰極。在儲能的充放電過程中，金屬電極經歷還原-氧化循環?？沙潆娧趸?離子電池單元10的工作原理在圖1中示出。在放電模式中，氧分子在空氣電極12上通過x/2O₂+2xe^-→xO^2-陰極反應被電化學還原為氧化物離子。在梯度氧化學勢的驅動力下，氧化物離子從空氣電極(高氧分壓側)通過電解質16遷移至金屬電極(14，低氧分壓側)。原則上，有兩個可能的金屬氧化反應機制。其中之一是標記為途徑1的固態擴散反應，即，氧化物離子可直接電化學氧化金屬，形成金屬氧化物。另一個機制是標記為途徑2的氣相遷移反應，它涉及氣相氧類物質的產生和消耗。把氧化物離子轉化為氣相氧類物質的反應界面18在金屬電極-電解質界面附近。氧化物離子可首先在金屬電極上轉化為氣態氧分子，然后通過固相-氣相機制與金屬進一步反應，形成金屬氧化物。在充電模式中，由還原金屬氧化物經由電化學途徑1或固相-氣相機制途徑2向金屬釋放的氧類物質被從金屬電極輸送回空氣電極。