具有置換鹽電極的高電流強度電池組的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交互參考
[0002] 本專利申請要求2013年3月14日提交的美國臨時專利申請No. 61/781,500的權 益，所述臨時專利申請的公開內容在此W其全部內容引為參考。
[0003] 關于聯邦資助的研究或開發的聲明
[0004] 本發明根據ARPA-E授予的DE-AR0000047在政府支持下完成。美國政府在本發明 中具有一定權利。
技術領域
[0005] 本發明設及用于動態儲存能量的電化學原電池，并更具體地設及在強電流下運行 的運些原電池。
[000引發明背景
[0007] 美國的電能產生依靠各種各樣的能源，例如化石、核、太陽、風和水電能源。在化石 燃料供應逐漸減少的顧慮下，能源供應鏈的一個重大挑戰是供求平衡。特別是，管理可再生 能源例如風或太陽能的固有間歇性是使它們能夠大規模采用的關鍵。所述問題的一部分是 不能W有效率的和成本有效的方式儲存電能。已經開發出在合金化/去合金化反應中使用 液態金屬的電化學電池，但通常在約1伏或更小的低電壓下運行。使電池能夠電壓較高同 時保持使用低成本材料將顯著降低運些裝置的成本和進一步改善它們的效率。
【發明內容】
[000引提供了利用低成本電極和電解質的原電池，其運行依靠將所述電解質中的鹽經充 電后從陽極金屬型的鹽電化學置換為陰極金屬型或類金屬的鹽，和經放電后反之。運些電 池，本文中稱為活性金屬離子電池或活性金屬離子儲能電池，可用固或液相的金屬和鹽運 行。運些電池在高電壓下傳遞和儲存能量并能夠維持高電流密度，超過對W前的合金化/ 去合金化電池所預期的典型電壓/功率的兩倍。通過進入化學能較高的反應，活性金屬離 子電池可從較廣泛的一系列成本有效的金屬、類金屬和鹽組裝，擴大了候選電極的選擇，并 可能使運行溫度能夠較低。另外，所宣稱的較高電壓使得單元電池（cells)數量較少的較 簡單系統組件能夠形成適合用在電網上并且功率輸出與電壓較低的合金化/去合金化基 電池組化atteries)相同的電池組。
[0009] 在本發明的第一種實施方式中，提供了具有兩種活性金屬的電化學活性金屬離子 電池，第一相具有第一活性金屬，第二相具有第二活性金屬、金屬或類金屬，和在所述第一 和第二相之間的第=相，具有所述第一活性金屬的鹽和所述第二活性金屬或類金屬的鹽。 所述第一相，限定陽極，具有活性金屬例如堿或堿±金屬，W其元素金屬形式（例如Li)或 寄身于合金相（例如Li-Mg),并與所述第S相在它的兩個交界面之一處接觸。所述第二 相，限定陰極，具有所述其他活性金屬或類金屬，W其元素、金屬形式、或其合金例如錬和鉛 訊-Pb。所述第二相與第一相分離并與第=相在它的兩個交界面的第二個處接觸。所述第 一、第二和第=相可W是固體（在運行中，如果運樣設計的話，或在電池的制造或運輸或維 修期間），液體（通常在運行中），或W固或液態的組合。所述陽極金屬相對于所述陰極鹽W迴異的化學勢存在，在所述第一和第二相之間引起電壓。
[0010] 在另一種實施方式中，所述電化學活性金屬離子電池處于放電狀態，并可W在電 解質中包含少量所述第二活性金屬或類金屬的鹽，例如在使用之前。
[0011] 在一些實施方式中，所述第一相包含元素周期表的IA、IIA、IIIA、IVA和IIB族中 任何一族的金屬或其合金。在一些實施方式中，運種金屬選自裡、鋼、鐘、領、巧、儀、鎖、侶、 娃和/或鋒。
[0012] 在一些實施方式中，所述第二相包含元素周期表的IB、IIB、VIIIB、IIIA、IVA、VA 和VIA族中任何一族的金屬或類金屬。在一些實施方式中，運種金屬選自鐵、儀、銅、鐵、侶、 娃、鋒、儒、隸、鉛、錬、祕、和/或其合金。在一些實施方式中，運種金屬是鉛和錬的合金。在 其他實施方式中，所述合金在祕中包含20摩爾％鉛。
[0013] 在一些實施方式中，所述電解質，或第=相，包含面化物鹽或其混合物，例如選自 氣化物、氯化物、漠化物和/或艦化物。在一些實施方式中，所述電解質還可W包含所述第 一活性金屬和第二活性金屬的鹽，其可W選自一、二、或更多種鹽，例如面化物、硫酸鹽、碳 酸鹽和/或硝酸鹽。在一些實施方式中，所述電解質還可W包含無活性金屬的鹽，例如四氯 化侶、氯化儀、面化鐘和其他的鹽組合。添加無活性鹽可W有利地降低第=相的烙融溫度和 /或引入混溶間隙，所述混溶間隙可誘導所述第=相相分離成高度集中所述第一種金屬鹽 的第一層和高度集中所述第二種金屬鹽的第二層。
[0014] 在一些實施方式中，所述活性金屬離子電池是LiILi化-PbBrzlPb(具有2.IV的 電位）、Li|PbCl2(在500°C具有約2. 3V的電位）、Li|FeCl2(具有約2. 3V的電位）、或 LiILia-LiF-Li化-PbClzIPb-Sb(在500°C具有約2. 48V的電位）。具有適當選擇的材料， 所述電池可W在低溫下運行，例如在化INiClz化學的情況下，其可W在約250°C下運行。
[0015] 在一些實施方式中，可W采用固或液相的隔離物W將所述第=層物理分隔成兩 相-含有陽極鹽并且沒有陰極鹽的第一上層，和含有陽極鹽和陰極鹽二者的第二下層。所 述隔離物將只允許陽極離子的離子傳導、或在電化學置換反應中發生的陰離子的傳導，同 時防止陰極離子的轉運。
[0016] 在一些實施方式中，所述隔離物可W位于與所述第一相直接接觸，但仍然允許陽 極離子或活性陰離子傳導并防止陰極離子轉運。在運種情況下，所述第=相的相分離可能 不是必需的。運種隔離物可W選自離子電導材料如化M專導型P氧化侶或導電陶瓷例如 用于化陽極化學的NASIC0N?(MercksNasZrzSizPOiz，鋼超離子導電體）。LISIC0N?(Merck， Li4Si〇4,固體電解質）、Li0 -氧化侶或氧化物和其他硫化物基玻璃，可W用于Li基化學。 其他陽極候選物可W選擇適當的導體。當運行溫度允許（<300°C)時，也可W使用離子電導 聚合物例如嵌段共聚物電解質，如WO2000/005774所述，所述文獻的內容在此引為參考。
[0017] 根據其他實施方式，電池組包括兩個或更多個如上所述的電化學活性金屬離子電 池串聯電連接、并聯連接和/或串聯和并聯連接。
[0018] 其中，所述電化系統可W具有小于約30kWh的總容量。在其他實施方式中，所述電 化系統可W具有超過約30kWh的總容量。
[0019] 在一些實施方式中，所述電化學活性金屬離子電池的與至少所述第一和第二相接 觸的一些內壁用絕緣材料覆蓋。運種材料可W是陶瓷基的，例如氧化侶、氧化儀、氮化棚、氮 化侶等等…對在低溫下運行的電池而言，運種絕緣材料也可W是在低于300°C的溫度下穩 定的聚合物。在一些實施方式中，所述絕緣材料是聚（氧乙締）甲基丙締酸醋-g-聚（二 甲基硅氧烷）（POEM-g-PDM巧（具有高烙融溫度的合成絕緣聚合物）。
[0020] 還提供了將從外電路傳遞的電能儲存在如上所述的電化學活性金屬離子電池中 的方法。為此，所述方法提供了至少一個具有兩種活性金屬的=種相的電化學活性金屬離 子電池，第一相限定陽極并具有第一活性金屬，第二相限定陰極并具有第二活性金屬，即金 屬或類金屬，和在所述第一和第二相之間的第=相限定具有第一活性金屬和第二活性金屬 的鹽的電解質。所述電解質可W包含少量的第二活性金屬或類金屬的鹽，其中第一活性金 屬的摩爾量大于所述第二活性金屬或類金屬的摩爾量。所述第一相與第=相在所述第=相 的兩個交界面之一處接觸，所述第二相與第=相在它的兩個交界面的第二個處接觸。
[0021] 在一些實施方式中，所述方法包括將電化學活性金屬離子電池連接到電力設備、 電力傳輸線、和/或傳遞從再生能源轉化的能量的外電路的一種或多種。在一些實施方 式中，所述方法包括將電化學活性金屬離子電池作為提供連續或穩定電力供應的系統的部 分。
【附圖說明】
[0022] 實施方式的前述特征通過參考W下詳細說明、結合參考附圖將更容易理解，在所 述附圖中：