低成本空气电极制造技术

各种实施方案的系统和方法可以提供低成本的双功能空气电极。各种实施方案可以提供双功能空气电极，其包括金属基底和涂覆在金属基底上的金属颗粒和/或金属氧化物催化剂颗粒和/或金属氮化物催化剂颗粒。各种实施方案可以提供双功能空气电极，其包括第一部分，配置为在放电模式中进行氧还原反应(ORR)；以及第二部分，配置为在充电模式中进行析氧反应(OER)。各种实施方案可以提供制造空气电极的方法，包括用金属颗粒和/或金属氧化物催化剂颗粒和/或金属氮化物催化剂颗粒涂覆金属基底。各种实施方案可以提供包括空气电极的电池。池。池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低成本空气电极
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年6月28日提交的No.62/868,540，名称为“低成本空气电极”的美国临时专利申请，以及于2020年5月7日提交的No.63/021,262，名称为“低成本空气电极”的美国临时专利申请的优先权，并且这两份申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。本申请还要求于2020年4月22日提交的No.63/013,864，名称为“用于电池电极的多孔材料”的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

技术介绍

[0003]储能技术在电网中发挥着越来越重要的作用；在最基本的层面上，这些储能资源的提供平滑化以更好地匹配电网的发电和需求。由储能设备提供的服务有利于跨越多个时间尺度的电网，从毫秒到数年。今天，现有的储能技术可以支持从毫秒到小时的时间尺度，但仍需要长时和超长时(总的来说，至少≥8h)的储能系统。
[0004]由于空气作为反应物的大量丰富和低成本，利用可逆空气电极的电化学储能系统对于长时储能(LODES)系统非常值得关注。用于LODES的空气电极需要比用于大功率电化学设备(例如，燃料电池、电解槽等)的空气电极便宜得多。此外，用于LODES的空气电极将经历大的电位波动和电流极性切换，已知这些操作特性会使许多电极退化，包括用于析氧反应(OER)和/或氧还原反应(ORR)的基底(或称为载体)和催化剂。
[0005]本背景部分旨在介绍本领域可以与本专利技术的实施方案相关联的各个方面。因此，本部分中的前述讨论提供了用于更好地理解本专利技术的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。

技术实现思路

[0006]各种实施方案的系统和方法可以提供低成本的双功能空气电极。各种实施方案可以提供一种双功能空气电极，包括金属基底和涂覆在金属基底上的金属和/或金属氧化物和/或金属氮化物催化剂颗粒。各种实施方案可以提供一种双功能空气电极，包括配置为在放电模式下进行氧还原反应(ORR)的第一部分和配置为在充电模式下进行析氧反应(OER)的第二部分。各种实施方案可以提供一种制造空气电极的方法，包括用金属和/或金属氧化物和/或金属氮化物催化剂颗粒涂覆金属基底。各种实施方案可以提供一种电池，包括第一容器、双功能空气电极、金属电极和所述第一容器内的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将双功能空气电极与金属电极分隔开。各种实施方案可以提供一种电池，包括第一容器、ORR空气电极、OER电极、金属电极和所述第一容器内的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将ORR空气电极和OER电极与所述金属电极分隔开。
[0007]根据本公开的各种实施方案，提供了一种双功能空气电极，包括：金属基底；以及沉积在金属基底上的金属氧化物和/或金属氮化物催化剂颗粒。在一些实施方案中，所述颗粒包括锰氧化物(MnO2、Mn2O3、Mn3O4、Mn
x
O
y
(其中x＝1至3，以及y＝1至8))、掺镍锰氧化物
(Ni
‑
Mn
x
O
y
)、镍氧化物(NiO
x
)、镍羟基氧化物(NiO
x
(OH)
y
)、铁氧化物(FeO
x
)、铁羟基氧化物(FeO
x
(OH)
y
(其中x＝0至2，以及y＝0至3))、钴氧化物(Co3O4、Co
x
O
y
(其中x＝1至3，以及y＝1至8))、锰钴氧化物(MnCo2O4、Mn
1+x
Co2‑
x
O4(其中x＝0至2))、钴锰氧化物(CoMn2O4)、镍锰氧化物(NiMnO
x
(其中x＝2至4))、锰铁氧化物(MnFe2O4、Mn
1+x
Fe2‑
x
O4(其中x＝0至1))、掺镍锰氧化物(Ni
‑
Mn
x
O
y
(其中x＝1至3，以及y＝1至8))、锰钴铁氧化物(Mn
x
Co
y
Fe
z
O4(其中x＝0至4，y＝0至4，以及z＝0至4))、锌钴锰氧化物(ZnCoMnO4、Zn
x
Co
y
Mn
z
O4(其中x＝0至4，y＝0至4，以及z＝0至4))、钴镍氧化物(CoNiO
x
(其中x＝0至4))、钙锰氧化物(CaMnO
x
(其中x＝0至4))、镧锰氧化物(LaMnO3)、镧钴氧化物(LaCo2O4、La
1+x
Co2‑
x
O4(其中x＝0至2)、镧镍氧化物(LaNiO3)、镧钙铝锰氧化物(La
x
Ca
y
Al
z
Mn
v
O3(其中x＝0至3，y＝0至3，z＝0至2，以及v＝0至3))、镍铁氧化物(Ni
z
Fe1‑
z
O
x
(其中z＝0至1，以及x＝0.5至2.5))、铁酸锰(MnFe2O4)、铁酸锌(ZnFe2O4)、钴酸镍(NiCo2O4)、镧锶锰酸(例如La
0.8
Sr
0.2
MnO3)、其他过渡金属氧化物或氮化物，或其任意组合。
[0008]在一些实施方案中，金属基底是网状物、泡沫或多孔烧结固体。在一些实施方案中，金属基底包括铁、镍、铁合金、铜、铝、钢、碳钢或不锈钢。在一些实施方案中，金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、或混合的过渡金属氧化物。在一些实施方案中，金属基底包括富镍铁合金。在一些实施方案中，电极还包括沉积在金属基底上的金属颗粒。在一些实施方案中，金属颗粒包括铁或镍。在一些实施方案中：金属基底包括铁，金属颗粒包括镍，并且金属氧化物催化剂颗粒包括氧化锰；金属基底包括镍，金属颗粒包括铁，并且金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物；金属基底包括钢，金属颗粒包括镍，金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物；或者，金属基底包括钢，金属颗粒包括铁，并且金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物。在进一步的实施方案中，金属氮化物催化剂颗粒包括Fe3N、FeCN、ZrN、Mn4N、或其组合。
[0009]在一些实施方案中，金属氮化物催化剂通过在反应炉或反应容器中使Fe2O3或Fe3O4与氨反应来制备。在一些实施方案中，催化剂是Fe3C。在一些实施方案中，催化剂通过在反应炉或反应容器中使Fe3C与氨反应来制备。
[0010]根据本公开的各种实施方案，提供了一种双功能空气电极，其包括：第一部分，配置为在放电模式下进行氧还原反应(ORR)；以及第二部分，配置为在充电模式下进行析氧反应(OER)。
[0011]在一些实施方案中，第一部分包括ORR电极和ORR催化剂；以及第二部分包括OER电极和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种双功能空气电极，包括：金属基底；以及沉积在所述金属基底上的颗粒，其中，所述颗粒包括金属氧化物催化剂颗粒、金属氮化物催化剂颗粒、或其组合。2.如权利要求1所述的电极，其中，所述金属基底为网状物、泡沫、或多孔烧结固体。3.如权利要求1所述的电极，其中，所述金属基底包括铁、镍、铁合金、铜、铝、钢、或其任意组合。4.如权利要求1所述的电极，其中，所述金属氧化物催化剂颗粒和所述金属氮化物催化剂颗粒中的一者或两者包括锰氧化物、掺镍锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、钴氧化物、锰钴氧化物、钴锰氧化物、镍锰氧化物、锰铁氧化物、掺镍锰氧化物、锰钴铁氧化物、锌钴锰氧化物、钴镍氧化物、钙锰氧化物、镧锰氧化物、镧钴氧化物、镧镍氧化物、镧钙铝锰氧化物、镍铁氧化物、铁酸锰、铁酸锌、钴酸镍、锰酸镧锶、过渡金属氧化物、金属氮化物、Fe3C、或其任意组合。5.如权利要求4所述的电极，其中，所述金属基底包括富镍铁合金。6.如权利要求5所述的电极，还包括沉积在所述金属基底上的金属颗粒。7.如权利要求6所述的电极，其中，所述金属颗粒包括铁、镍、钢、或其组合。8.如权利要求1所述的电极，还包括沉积在所述金属基底上的金属颗粒。9.如权利要求8所述的电极，其中：所述金属基底包括铁、镍、或其组合；所述金属颗粒包括铁、镍、或其组合；以及所述金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物。10.如权利要求8所述的电极，其中：所述金属基底包括钢；所述金属颗粒包括铁、镍、或其组合；以及所述金属氧化物催化剂颗粒包括锰氧化物。11.如权利要求1所述的电极，其中，所述金属基底包括金属粉末。12.如权利要求11所述的电极，其中，所述金属粉末包括镍粉、镀镍不锈钢粉、镀镍碳钢粉、钴粉、镀钴不锈钢粉、镀钴碳钢粉、或其组合。13.如权利要求11所述的电极，其中，所述金属粉末包括其中的粘合剂材料。14.如权利要求13所述的电极，其中，所述粘合剂材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、或其组合。15.一种双功能空气电极，包括：第一部分，配置为在放电模式下进行氧还原反应(ORR)；以及第二部分，配置为在充电模式下进行析氧反应(OER)。16.如权利要求15所述的电极，其中：所述第一部分包括ORR电极和ORR催化剂；以及所述第二部分包括OER电极和OER催化剂。17.如权利要求16所述的电极，其中：所述ORR电极包括碳布、碳毡、碳纸、或气体扩散层；以及
所述OER电极包括镍、铁、不锈钢、或碳钢。18.如权利要求17所述的电极，其中，所述ORR催化剂包括银、钯、铂、锰氧化物、掺镍锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、钴氧化物、锰钴氧化物、钴锰氧化物、镍锰氧化物、锰铁氧化物、掺镍锰氧化物、锰钴铁氧化物、锌钴锰氧化物、钴镍氧化物、钙锰氧化物、镧锰氧化物、镧钴氧化物、镧镍氧化物、镧钙铝锰氧化物、镍铁氧化物、铁酸锰、铁酸锌、钴酸镍、锰酸镧锶、Fe3N、FeCN、ZrN、Mn4N、Fe3C、或其任意组合。19.根据权利要求17所述的电极，其中，所述OER催化剂包括金属镍、金属铁、锰氧化物、掺镍锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、钴氧化物、锰钴氧化物、钴锰氧化物、镍锰氧化物、锰铁氧化物、掺镍锰氧化物、锰钴铁氧化物、锌钴锰氧化物、钴镍氧化物、钙锰氧化物、镧锰氧化物、镧钴氧化物、镧镍氧化物、镧钙铝锰氧化物、镍铁氧化物、铁酸锰、铁酸锌、钴酸镍、锰酸镧锶、Fe3N、FeCN、ZrN、Mn4N、Fe3C、或其任意组合。20.如权利要求16所述的电极，其中，所述ORR电极和所述OER电极中的一者或两者包括网状物、泡沫、或多孔烧结固体。21.如权利要求15所述的电极，还包括在所述第一部分和所述第二部分中的一者或两者上的疏水涂层。22.如权利要求21所述的电极，其中，所述疏水涂层包括聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、或其组合。23.如权利要求16所述的电极，其中，所述ORR电极包括涂覆有锰氧化物催化剂的碳基底。24.如权利要求23所述的电极，其中，所述碳基底包括碳布、碳毡、碳纸、或气体扩散层。25.如权利要求16所述的电极，其中，所述OER电极包括金属基底。26.如权利要求25所述的电极，其中，所述金属基底包括钛、镍、铁、不锈钢、碳钢、或其组合。27.如权利要求26所述的电极，其中，所述金属基底涂覆有催化剂，所述催化剂包括银、钯、铂、锰氧化物、掺镍锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、钴氧化物、锰钴氧化物、钴锰氧化物、镍锰氧化物、锰铁氧化物、掺镍锰氧化物、锰钴铁氧化物、锌钴锰氧化物、钴镍氧化物、钙锰氧化物、镧锰氧化物、镧钴氧化物、镧镍氧化物、镧钙铝锰氧化物、镍铁氧化物、铁酸锰、铁酸锌、钴酸镍、锰酸镧锶、Fe3N、FeCN、ZrN、Mn4N、或其任意组合。28.如权利要求26所述的电极，其中，所述金属基底包括直接还原铁(DRI)、雾化铁粉、海绵铁、或其组合。29.如权利要求26所述的电极，其中，所述金属基底包括网状物、泡沫、烧结多孔结构、或金属颗粒的填充床。30.如权利要求26所述的电极，其中，所述金属基底包括颗粒的填充床，所述颗粒包括直接还原铁(DRI)、海绵铁、或其组合。31.如权利要求26所述的电极，其中，所述金属基底呈笼形式，所述笼配置为用作集流体并具有配置用于电解质和空气流的开口。32.如权利要求31所述的电极，其中，所述笼包括铁、镍、镍
‑
铁合金、或其组合。33.如权利要求32所述的电极，其中，所述笼涂覆有催化剂，所述催化剂包括银、钯、铂、锰氧化物、掺镍锰氧化物、镍氧化物、镍羟基氧化物、铁氧化物、铁羟基氧化物、钴氧化物、锰
钴氧化物、钴锰氧化物、镍锰氧化物、锰铁氧化物、掺镍锰氧化物、锰钴铁氧化物、锌钴锰氧化物、钴镍氧化物、钙锰氧化物、镧锰氧化物、镧钴氧化物、镧镍氧化物、镧钙铝锰氧化物、镍铁氧化物、铁酸锰、铁酸锌、钴酸镍、锰酸镧锶、Fe3N、FeCN、ZrN、Mn4N、或其任意组合。34.如权利要求25所述的电极，其中，所述金属基底包括金属粉末。35.如权利要求34所述的电极，其中，所述金属粉末包括镍粉、镀镍不锈钢粉、镀镍碳钢粉、钴粉、镀钴不锈钢粉、镀钴碳钢粉、或其组合。36.如权利要求34所述的电极，其中，所述金属粉末包括其中的粘合剂材料。37.如权利要求36所述的电极，其中，所述粘合剂材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、或其组合。38.一种用于制造空气电极的方法，所述方法包括：用颗粒涂覆金属基底，其中，所述颗粒包括金属氧化物催化剂颗粒、金属氮化物催化剂颗粒、或其组合。39.如权利要求38所述的方法，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：福恩能源公司，
类型：发明
国别省市：