[發明專利]具有與有機液體電解質相接合的無枝狀晶負極的堿金屬電池組

在審

• 申請號: 201780017565.2
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN108886138A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 約翰·B·古迪納夫;薛磊剛;比楊楚·尤
• 申請（專利權）人: 德克薩斯大學系統董事會
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/40;H01M2/16;H01M10/0569;H01M10/054
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙) 11400
• 代理人: 鄔玥;方挺

可再充電電池組電池具有與無枝狀晶堿金屬負極接觸的有機?液體電解質。堿金屬負極在操作溫度下可以是液體，其通過吸收至多孔膜中而被固定。堿金屬負極可以是潤濕多孔膜分隔件的固體，其中固體堿金屬負極和液體電解質之間的接觸在多孔膜分隔件中的微孔或納米孔處。在具有多孔纖維素基分隔件膜的對稱電池中，對無枝狀晶的固體鋰電池的使用進行了說明。通過使用具有或玻璃?纖維分隔件的有機?液體電解質，對具有被固定在多孔碳膜中的液體K?Na合金負極的K⁺離子可再充電電池進行了說明。

政府迕可聲明

本發明是在能源部授予的授權號DE-SC0005397和授權號DE-AR0000297的條件下由政府支持而完成的。政府擁有本發明的某些權利。

優先權要求

本申請依據35U.S.C.§119(e)要求于2016年3月18日提交的標題為“ALKALI-METALBATTERIES WITH A DENDRITE-FREE ANODE INTERFACING AN ORGANIC LIQUIDELECTROLYTE”，序列號為62/310,157的美國臨時專利申請的優先權，其全部內容通過引用并入本文中。

技術領域

本公開大致涉及電化學能量存儲，并且更具體地，涉及具有與有機液體電解質相接合(interfacing)的無枝狀晶(dendrite-free)負極的堿金屬電池組(battery)。

背景技術

可再充電(二次)鋰離子電池組被廣泛用于諸如手機和便攜式計算機的消費電子設備中，這部分歸因于它們的高能量密度?？稍俪潆婁囯x子電池組也可用于功率密集型應用設備中，例如電動車輛和動力工具?？稍俪潆婁囯x子電池組的其他用途，例如用在能量網格存儲(energy grid storage)中，是可能的。

盡管具有其他堿金屬離子(例如鈉和鉀)的可再充電電池組不太普及，但它們可用于許多與鋰離子電池組相同的應用設備中。

可再充電電池組將電能作為化學能存儲在兩個電極中，負極和正極中，該兩個電極通過電解質在電池內部彼此隔開，而如果電解質是液體，則通過分隔件(separator)彼此隔開。該分隔件在與電極接觸時可以是化學惰性的，并且分隔件對液體電解質是可滲透的。在兩個電極之間發生的化學反應具有兩個成分，離子成分和電子成分。電解質為離子導體，但為電子絕緣體。因此，化學反應的離子成分在電池組內部作為離子電流在電解質中流動，而電子成分在電池組外部作為電子電流在外部電路中流動。可通過斷開電子電路來停止電子電流，并且可通過由正極上的正電荷和負極上的負電荷所產生的內部電場在開路處停止離子電流。

當電池組放電時，帶正電的離子在電池組內部流動，而帶負電的電子在電池組外部從負極流動至正極，在正極處進行再結合以完成電極之間的化學反應。在放電時，電池組以電壓V向外部電子電路輸送電流I達時間Δt，直到電極之間的化學反應完成為止；因此，電池組將電極所存儲的化學能轉換成電功率P＝IV。當可再充電電池組電池(cell)充電時，外部電源以充電電壓來提供充電電流，該充電電壓逆轉離子和電子電流流動，并因此逆轉化學反應以將施加的電功率存儲為化學能。

在充電時，來自液體電解質作為負極的堿金屬的電鍍(plating)是不光滑的；枝狀晶從堿金屬表面形成并生長。該枝狀晶可生長穿過電解質而達到正極，并可產生內部電子短路，該內部電子短路會加熱電池組電池，并且和可燃電解質一起可能會產生火災。因此，在現今的鋰離子電池組電池中，負極通常為碳，其以電壓(接近由金屬鋰所產生的電壓)來存儲Li⁺離子。然而，如果充電速率太高，則充電電壓可能變得足夠高以在碳上電鍍金屬鋰，并且可能導致枝狀晶的形成。