[發(fā)明專(zhuān)利]用于儲(chǔ)能器件的雜化負(fù)極

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380033813.4
• 申請(qǐng)日: 2013-01-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104521034B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·劉;J·肖;C·黃
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 巴特爾紀(jì)念研究院
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/02
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/02;H01M4/583;H01M4/38;H01M10/05
• 代理公司: 永新專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司72002
• 代理人: 于輝

優(yōu)先權(quán)

本發(fā)明要求于2012年6月25日提交的名稱(chēng)為“用于儲(chǔ)能器件的雜化負(fù)極(Hybrid Anodes for Energy Storage Devices)”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第13/532,206號(hào)的優(yōu)先權(quán)。

關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開(kāi)發(fā)的聲明

本發(fā)明是在美國(guó)能源部授予的合同DE-AC05-76RL01830下由政府支持而作出，政府享有本發(fā)明的某些權(quán)利。

技術(shù)背景

許多重要技術(shù)的實(shí)際實(shí)施因現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)能器件的局限性而減緩。例如，當(dāng)前的鋰離子電池顯示出不足以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)所需的行駛里程的容量。各種類(lèi)型的儲(chǔ)能器件顯示出潛力，包括具有含Li、Na、Zn、Si、Mg、Al、Sn和Fe電極的器件。在另一實(shí)例中，鋰硫電池由于大的比容量和高能量密度而具有吸引力。然而，在成功實(shí)施任何一種這些器件成功實(shí)施之前，必須克服一些障礙。在鋰硫電池中，在充電或放電期間形成的可溶的長(zhǎng)鏈多硫化物可引起活性物質(zhì)從正極進(jìn)入電解質(zhì)并至鋰負(fù)極(anode)上而逐漸損耗，從而不斷形成鈍化膜。因此，經(jīng)常觀察到經(jīng)過(guò)循環(huán)的嚴(yán)重的自放電和容量衰減，從而阻礙了鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用。同樣地，在鋰電池中，鍍?cè)谪?fù)極上的金屬鍍特別是在高充電速率下會(huì)導(dǎo)致電池短路和燃燒——因而表現(xiàn)出重大的安全問(wèn)題。需要具有穩(wěn)定電化學(xué)性能和提高的安全性的改進(jìn)的儲(chǔ)能器件，以使需要電能的器件成為可能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明描述儲(chǔ)能器件的運(yùn)行方法以及儲(chǔ)能器件，所述儲(chǔ)能器件具有雜化負(fù)極，至少解決了活性材料消耗和負(fù)極鈍化的問(wèn)題。儲(chǔ)能器件各自包括通過(guò)隔膜與雜化負(fù)極分開(kāi)的正極(cathode)。雜化負(fù)極包括與連接至金屬電極的碳電極，由此在碳電極和金屬電極之間產(chǎn)生等電勢(shì)。如本文中所用的，等電勢(shì)可具有與理論等電勢(shì)的微小偏差(即偽等電勢(shì)(pseudo-equipotiential))。例如，碳電極和金屬電極原則上應(yīng)具有相同的電勢(shì)。然而，在一些情況下，需要極長(zhǎng)時(shí)間來(lái)達(dá)到平衡和等電勢(shì)。因此，碳電極和金屬電極的電勢(shì)可以非常接近，但不完全相等。

在某種意義上，碳電極和金屬電極并聯(lián)連接以作為負(fù)極。碳電極和金屬電極可由隔膜隔開(kāi)或可直接彼此暴露。此外，碳電極和金屬電極可直接接觸或可由一定量的空間分開(kāi)。在具體的實(shí)施方案中，碳電極和金屬電極在運(yùn)行過(guò)程中而不是僅僅在開(kāi)始循環(huán)之前保持接觸。例如，金屬電極不僅僅是納入至碳電極(即插入、沉積等)的金屬的最初來(lái)源。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在器件的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，碳電極充當(dāng)金屬離子的耗電器(drain)并幫助減低金屬負(fù)極上的污染問(wèn)題或不想要的反應(yīng)。

碳電極可包括石墨、硬碳、炭黑、碳纖維、石墨烯和其他導(dǎo)電的碳質(zhì)材料。金屬電極可包括Li、Na、Zn、Si、Mg、Al、Sn和Fe。優(yōu)選地，金屬電極包括Li。

在一些實(shí)施方案中，碳電極還包括金屬化的碳。例如，碳電極可包括鋰化碳(lithiated carbon)。或者，碳電極還可包括插入其中、沉積于其上或插入其中和沉積于其上的金屬離子。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬離子包括鋰離子。

優(yōu)選地，所述碳電極保持金屬化碳的狀態(tài)。常規(guī)的儲(chǔ)能器件通常在充電過(guò)程中金屬化并在放電過(guò)程中去金屬化(demetalated)。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，金屬化的碳從碳電極的損耗通過(guò)雜化負(fù)極的金屬電極補(bǔ)償。因此，碳電極可視為從金屬電極消耗金屬離子的容器(sink)。此外，在一些情況下，在充電時(shí)，金屬離子可以作為金屬化的碳返回至金屬負(fù)極而不是碳電極。

在一個(gè)實(shí)施方案中，正極包含硫和/或硫化合物。例如，硫化合物可包括多硫化物。在一個(gè)實(shí)例中，多硫化物可包括Li_xS_y，其中x為0到4，且y為1到8。根據(jù)本文種描述的實(shí)施方案，具有含有硫和/或硫化合物的正極的器件可構(gòu)造成，在運(yùn)行期間表現(xiàn)出在0.8C下大于或等于800mAh g^-1的可逆容量。其他實(shí)施方案可表現(xiàn)出在大于200次循環(huán)后的大于或等于750mAh g^-1的容量。