氢基电池制造技术

本文公开了电池和制造电池的方法。本文公开的电池通常包括正极，能够传导质子和/或水合氢离子的电解质，和包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料的负极，其中(i)所述正极与正极物质接触；或(ii)所述电解质包含还原型正极物质，或(iii)所述正极与正极物质接触并且所述电解质包含还原型正极物质，并且其中所述正极物质是一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氢基电池
本专利技术涉及电池。特别地，本专利技术涉及具有氧化还原活性组分(即氧化还原对)、质子和/或水合氢离子传导电解质和能够存储或吸收质子和/或水合氢离子形式的氢物质的负极材料的特定组合的电池，以及涉及制造这样的电池和使用这样的电池的方法。
技术介绍
凭借其清洁和方便的特征，电能已经成为现代人类生活中必不可少的部分。目前，电能可以使用电池来存储。例如，可以产生电能(例如通过可再生能源如风能、太阳能和水力发电和/或不可再生能源如石油、煤和天然气)，然后使用电池，尤其是二次电池(例如氧化还原液流电池、铅酸电池和锂离子电池)存储电能。还存在燃料电池，其中H2可用作能量存储库(即燃料)，并在需要时转换为电能。在许多类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)通常被认为是最有前途的候选产品，并已准备好商业化。为了催化缓慢的氧还原反应，通常需要高质量负载量的Pt。此外，高纯度压缩的H2(其为易爆的)被用作燃料。典型的PEMFC依靠贵金属(例如Pt)催化氧还原反应，并且存在关于H2的安全问题。这些特性带来重大障碍，阻碍了PEMFC的广泛应用。铅酸电池已经存在了超过150年，并且它们是第一批大规模使用的二次电池。铅酸电池使用具有氧化铅的铅作为电极，并且通常使用硫酸溶液作为电解质。铅酸电池具有低能量存储成本(150～600USD/(kW·h))、良好可靠性和高效率(70％～90％)。它们是最成熟和广泛使用的电源技术之一。然而，铅酸电池通常具有短寿命(例如500至1000个循环)、低能量密度(例如30至50(W·h)/kg)、窄的工作温度范围、缓慢的充电速度以及容易通过过度充电释放气体的可能性。铅酸电池还具有环境问题。锂离子电池(LIB)已广泛用于计算机、通信设备、消费产品和甚至电动车辆中。然而，LIB的开发存在瓶颈，例如安全性问题、倍率性能(ratecapability)和能量密度。例如，LIB通常包含高度易燃和有毒的组分(主要在电解质中)，并且电动车辆目前正接近当前非水LIB系统的充电/放电极限。近年来，可再生能源如光伏(太阳能)和风力发电的利用已经增加。然而，风力和光伏发电具有不稳定和不连续的特性，可能会对地区电网产生影响。普遍认为大规模能量存储可以提高电网效率，并改善电力供需之间的差异。当前的大规模能量存储和转换技术可以大致分为几类，包括机械能量存储(例如飞轮能量存储、抽水能量存储和压缩空气能量存储)、直接能量存储(例如超级电容器和超导磁能量存储)、化学能量存储(例如燃料，例如氢和其他化学物质)和电化学能量存储(例如，二次电池系统、超级/赝电容器)。还已经开发了电池超级电容器混合设备(Batterysupercapacitorhybriddevice，BSHD)，其可能具有有利的性质(例如，高能量密度、短充电时间和高功率密度)。当前的能量存储设备存在各种缺点，并且需要克服了以上确定的缺点中的至少一些的替代能量存储设备。还需要安全、有效和/或廉价的大规模能量存储技术。提供替代的电池类型，特别是避免使用和/或最小化气态组分形成的电池将是有利的。
技术实现思路
在第一方面，本专利技术提供了一种电池，包括：-正极，-电解质，所述电解质能够传导质子和/或水合氢离子；和-负极，所述负极包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料；其中：(i)所述正极与正极物质接触；或(ii)所述电解质包含还原型正极物质；或(iii)所述正极与正极物质接触并且所述电解质包含还原型正极物质，并且其中：所述正极物质是一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物。在第二方面，本专利技术提供了一种制造电池的方法，所述方法包括使电解质与负极和正极接触，其中：-所述电解质能够传导质子和/或水合氢离子，并且包含(a)质子和/或水合氢离子和(b)还原型正极物质，所述还原型正极物质的共轭氧化还原对是作为一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物的正极物质；并且-所述负极包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料。在第三方面，本专利技术提供了通过第二方面的方法制造的电池。在第四方面，本专利技术提供了第一或第三方面的电池用于能量存储的用途。在第五方面，本专利技术提供了一种在不释放气态氢或气态氧的情况下分解水的方法，所述方法包括：1)使包含能够氧化以形成正极物质的还原型正极物质的电解质与(a)包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料的负极和(b)正极接触，以及2)在所述负极和所述正极之间施加电压，从而氧化所述还原型正极物质，形成正极物质和H+，所述H+形成与能够吸收质子和/或水合氢离子的材料缔合的水合氢离子，其中所述正极物质是一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物。在第六方面，本专利技术提供了一种电池，包括：-正极，所述正极能够吸收和释放质子和/或水合氢离子，-电解质，所述电解质能够传导质子和/或水合氢离子；以及-负极，所述负极包含能够吸收质子和/或水合氢离子的MoO3，尤其是MoO3纳米纤维；其中，在使用中，质子和/或水合氢离子在所述正极和所述负极之间移动。附图说明下面仅通过举例的方式参考附图描述本专利技术的特定实施例，其中：图1示出了实施例1中制备的电池的示意图。图2示出了实施例1中制备的电池的工作原理的示意图。图3a示出了实施例1中制备的电池在不同容量下的放电容量(下/左y轴)和库伦效率(上/右y轴)对循环数(x轴)的图。图3b示出了实施例1中制备的电池在不同的放电电流密度(～7.5C、～30C、～87.5C、～180C和～900C)下的电压(V，y轴)对每克容量(mAhg-1，x轴)的图(C倍率基于放电时间计算，即1C表示放电过程可以在1小时内完成)。在每种情况下，首先将电池恒电流充电至1.8V或0.17mAh。图3c示出了实施例1中制备的电池在10mA(～85.7C)的放电速率下1000个循环的长期循环性能(放电容量(下/左y轴)和库伦效率(上/右y轴)对循环数(x轴))图。图4示出了实施例1中制备的电池的Ragone图(比功率(Wkg-1，y轴)对比能量(Whkg-1，x轴)图)，证明了实施例1中制备的电池的优异的倍率和能量存储能力。图5总结了实施例2中所述的MoO3纳米纤维的结果和物理表征数据，其中：(a)示出了XRD图谱(强度(任意单位)对2θ)和Rietveld精修；(b，c)示出了MoO3的精修晶体结构，其中较大的紫色和较小的红色球体分别表示Mo和O原子；(d)是MoO3纳米纤维的低放大率TEM图像；(e)是HRTEM图像；(f)是SAED图谱；并且(g)示出了记录在同一纳米纤维上的元素映射图像，显示了Mo(左下)和O(右下)的分布。图6(a，b)是在实施例2中制备的MoO3纳米纤维的SEM图像(比例尺＝(a)中为5μm，(b)中为3μm)。图7总本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池，包括：/n-正极，/n-电解质，所述电解质能够传导质子和/或水合氢离子；和/n-负极，所述负极包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料；/n其中：/n(i)所述正极与正极物质接触；或/n(ii)所述电解质包含还原型正极物质；或/n(iii)所述正极与正极物质接触并且所述电解质包含还原型正极物质，/n并且其中：/n所述正极物质是一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181029 AU 2018904094;20190820 AU 20199030321.一种电池，包括：
-正极，
-电解质，所述电解质能够传导质子和/或水合氢离子；和
-负极，所述负极包含能够吸收质子和/或水合氢离子的材料；
其中：
(i)所述正极与正极物质接触；或
(ii)所述电解质包含还原型正极物质；或
(iii)所述正极与正极物质接触并且所述电解质包含还原型正极物质，
并且其中：
所述正极物质是一种或多种金属的氧化物或卤化物的氧化物。


2.根据权利要求1所述的电池，其中所述正极物质是Mn、Pb、Bi、Cr、V、Cl、Br或I的氧化物。


3.根据权利要求1或2所述的电池，其中
-所述正极物质是MnO2，并且所述还原型正极物质是Mn2+；或
-所述正极物质是MnO4-，并且所述还原型正极物质是MnO2；或
-所述正极物质是PbO2，并且所述还原型正极物质是Pb2+；或
-所述正极物质是Bi2O4，并且所述还原型正极物质是BiO+；或
-所述正极物质是Cr2O72-，并且所述还原型正极物质是Cr3+；或
-所述正极物质是VO2+，并且所述还原型正极物质是VO2+；或
-所述正极物质是ClO4-，并且所述还原型正极物质是ClO3-；或
-所述正极物质是BrO3-，并且所述还原型正极物质是Br2；或
-所述正极物质是IO3-，并且所述还原型正极物质是I2。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述正极物质是MnO2，并且所述还原型正极物质是Mn2+。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池，其中能够吸收质子和/或水合氢离子的所述材料选自N,N-二辛基-3,4,9,10-苝二甲酰亚胺(PTCDI)、苝四甲酸二酐(PTCDA)、1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTCDA)、对苯二甲酸(PTA)、蒽醌(AQ)和芘-4,5,9,10-四酮(PTO)。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池，其中所述正极包含选自碳布、碳纤维纸、碳毡及其组合的集流体。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池，其中所述负极包含与所述材料接触的碳布、碳纤维纸、碳毡、钛箔和钛网中的一种或多种，所述材料能够吸收质子和/或水合氢离子。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池，其中所述电池包括选自nafion聚合物膜、玻璃纤维膜、滤纸和卡尔格德膜的隔膜。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池，其中能够吸收质子和/或水合氢离子的所述材料是或包含MoO3。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池，其中能够吸收质子和/或水合氢离子的所述材料是或包含MoO3纳米纤维。


11.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵川，郭皓诚，曾亚超，任文皓，苏真，彭选成，
申请(专利权)人：新南创新公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU