蓄電池及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種蓄電池及其制造方法以及根據獨立權利要求的上位概念的應用。
【背景技術】
[0002]在未來，不僅在例如手機、筆記本電腦和計算機之類的移動應用方面，而且在例如混合動力車輛(英語HEV表示混合動力車輛)和電動車輛(英語EV表示電動車輛)之類的車輛中也將會越來越多地使用具有高的特定能量或能量密度的蓄電池系統。
[0003]為了滿足相應的應用對安全和使用壽命的要求，目前正在進一步開發這些蓄電池系統。
[0004]目前世界各地開發活動的目標尤其是鋅空氣蓄電池。與鋰離子蓄電池相比，鋅空氣蓄電池能夠達到更高的能量密度或者特定能量。在此使用金屬鋅(Zn)作為陽極，使用氧電極作為陰極。可再充電的鋅空氣蓄電池目前還在開發中，因此尚未商業應用。
[0005]US 20060269811 Al描述了一種延長鋅空氣蓄電池使用壽命的方法。該鋅空氣蓄電池由多個蓄電池單池構成，將這些蓄電池單池依次暴露在周圍空氣中，使得某一時刻僅僅激活一個蓄電池。將蓄電池的陽極實施成鋅陽極，并且將陰極實施成氧電極。
[0006]CN-101 055 933 A描述了另一種這樣的鋅空氣蓄電池。
[0007]Tff 385 559 A描述了具有由鋰和鎳組成的陰極以及由碳和鋅組成的陽極的鋰離子蓄電池的制造。
[0008]US 2009 0023 065 Al描述了一種由碳、金屬和聚合物構成的、應用于鋰離子蓄電池中的陽極。
[0009]KR 2011 078 307 A描述了一種具有鋅陽極的鋰離子蓄電池。使用涂有碳的金屬鋅作為活性材料。
[0010]US 2010 0159328 Al公開了一種用于鋰離子蓄電池的鋅銻碳陽極的制造。
[0011]DE 102 007 034 178 Al公開了一種可再充電的鋰離子蓄電池。使用納米管和/或者嵌入納米結構化合成鋰和/或者天然鋰的石墨作為電化學活性陽極物質。
[0012]DE 10 2004 014 629 Al描述了一種鋰離子蓄電池，其負電極含有能嵌入鋰的石墨狀改性碳作為活性材料。負電極的碳材料具有小于80%的結晶度。
[0013]當前已知的金屬的鋅陽極一般均具有小的充放電循環穩定性。鋅在充電過程中呈海綿狀析出，并且例如可能會與電解質反應。此外金屬鋅析出還可能導致陽極上形成鋅-枝狀晶(Zink-Dendriten)。鋅-枝狀晶能夠穿過分離裝置生長，因此能夠引起蓄電池的內部短路、單池過度發熱、甚至起火或爆炸之類的安全問題。
【發明內容】
[0014]因此本發明的任務在于提供一種改進的蓄電池及其制造方法，能避免上述關于蓄電池使用壽命和安全性的缺點。本發明所述的蓄電池包括改善了循環穩定性并且提高了安全性的陽極。
[0015]本發明所述的蓄電池以及本發明所述的制造方法具有獨立權利要求所述的特征，能以有益的方式解決本發明的任務。
[0016]這尤其基于，蓄電池具有不僅含鋅、而且也含碳的陽極。碳陽極有利于鋅以可逆方式迀入和迀出。碳在此形成使得陽極穩定的基體結構。除此之外，碳基體還防止在充放電循環過程中通過分散的鋅-枝狀晶與電解質的可逆反應而消耗鋅。以這種方式能顯著提高充放電循環穩定性，尤其能顯著提高可充電蓄電池的單池的安全特性。
[0017]從屬權利要求所述均為本發明的其它有益實施方式。
[0018]按照本發明的一種特別有利的實施方式，陽極具有嵌入鋅的改性碳。
[0019]優選地，陽極包括鋅離子能通過可逆電化學反應嵌入其中或脫嵌、也就是能迀入或迀出的碳基體。鋅離子嵌入和脫嵌的動力學特性優選地是高的，因此能實現蓄電池單池的足夠高的電流性能和高的循環穩定性。優選地，這通過碳本身的高的導電性來支持。除此之外，碳的導電性還可提高陽極的導電性，陽極有利地變得更加具有負載能力。此外當蓄電池單池負載高電流時，還能夠有利地晚些時間實現蓄電池單池的最終截止電壓，因此能夠提高蓄電池單池的放電容量。
[0020]由于嵌入鋅的改性碳在陽極上，因此能夠實現高的初始功率和快速的能量釋放，即高的脈沖負載能力。
[0021]在充放電循環過程中，鋅離子在碳基體中迀入和迀出。這會導致陽極體積變化。由于碳基體非常穩定，有利于避免或明顯減小體積變化。由于嵌入鋅的改性碳使得陽極具有高的循環穩定性，因此能夠延長蓄電池單池的使用壽命。與鋰離子蓄電池相比，這些蓄電池單池能夠實現更高的特定能量或能量密度。此外由于避免了可能出現的鋅-枝狀晶，還能明顯改善可充電的蓄電池單池的安全特性。尤其減小內部短路的危險。
[0022]此外是有利的，陽極含有石墨、硬碳、軟碳或者碳納米管(英文“Carbo-Nanotubes”，縮寫為 CNT)形式的碳。
[0023]石墨由相互疊加排列的二維石墨烯層構成。石墨有利于鋅在石墨烯層之間迀入和迀出。以這種方式產生非常穩定的結構，從而提高蓄電池單池的循環穩定性。也適合選用例如硬碳、軟碳或者碳納米管來替代石墨。
[0024]此外有利地，陽極中鋅與碳物質的量成分之比最大為1: 16。
[0025]石墨的碳原子數與石墨稀層上的鋅原子數之比優選地為16: 0.9至16: 1，已證實尤其有利的比例為16: 1
[0026]硬碳、軟碳或碳納米管的鋅吸收能力比碳大約低10-30%。鋅和硬碳、軟碳或碳納米管物質的量成分之比優選地為0.7-0.9: 16。以這種方式盡管會降低蓄電池單池的能量密度，但有利于提高蓄電池單池的使用壽命和高電流負載能力。
[0027]按照本發明的一種特別有利的實施方式，陽極包括一種化學式為C16Zn的有機金屬化合物。
[0028]基于這種特定的組合物，能夠顯著地穩定蓄電池單池的充放電循環特性并且延長其使用壽命。
[0029]此外是有利的，蓄電池的陰極或氧電極還含有炭黑、導電石墨或碳納米管。例如本性高度無序的炭黑能夠改善陰極的導電性。除此之外，陰極和蓄電池單池有利地是可承受高電流的。
[0030]本發明的另外的主題是一種用于制造相應的蓄電池的方法，該蓄電池具有負電極或含鋅和碳的陽極，并且具有正電極或構造成氧電極的陰極。此外以鋅加載陽極的碳。
[0031]按照本發明的第一種有利的實施方式，首先提供具有碳的陽極，隨后以鋅加載該陽極，從而產生蓄電池的陽極。
[0032]在此，能夠使用按照現有技術制造的并且因此可購買到的陽極作為碳陽極，隨后優選地通過鋅嵌入陽極的碳基體中的方式使其加載鋅。
[0033]用于電極的鋅的原則上的應用是有利的，因為鋅的儲量豐富并且還能夠回收。
[0034]按照本發明的第二種有利實施