使用铁负极和锰氧化物正极的可充电电池组制造技术

公开了用于铁

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用铁负极和锰氧化物正极的可充电电池组
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2019年7月26日提交的题为“使用铁负极和锰氧化物正极的可再充电电池组”的美国临时专利申请第62/879,153号的优先权，和2020年5月7日提交的题为“使用铁负极和锰氧化物正极的可再充电电池组”的美国临时专利申请第63/021,267号的优先权，这两个申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。本申请还要求2019年7月26日提交的题为“低成本金属电极”的美国临时专利申请第62/879,126号和2020年5月7日提交的题为“低成本金属电极”的美国临时专利申请第63/021,566号的优先权，这两个申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。本申请还要求于2020年5月7日提交的题为“用于电化学电池的含铁电极”的美国临时专利申请第63/021,610号的优先权，其全部内容出于所有目的通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]能量存储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，这些能量存储资产提供精加工，以更好地匹配网格的发电和需求。能量存储设备执行的服务有利于跨越多个时间尺度(从毫秒到年)的电网。如今，存在可以支持从毫秒到小时的时间尺度的能量存储技术，但仍需要长持续时间和超长持续时间(总的来说，>8h)的能量存储系统。

技术实现思路

[0004]公开了用于铁锰氧化物电化学电池的材料、设计和制造方法。在各个实施方案中，负极包括球团化的、压块的、压制的或烧结的含铁组分，其包括金属铁或铁基化合物(氧化物、氢氧化物、硫化物或其组合)，统称为“铁负极”。在各个实施方案中，正极包括球团化的、压块的、压制的或烧结的含锰组分，其包括氧化锰(IV)(MnO2)、氧化锰(III)(Mn2O3)、羟基氧化锰(III)(MnOOH)、氧化锰(II)(MnO)、氢氧化锰(II)(Mn(OH)2)或它们的组合，统称为“锰氧化物正极”。在各个实施方案中，电解液包含含水碱金属氢氧化物，其包括氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铯(CsOH)或它们的组合。在各个实施方案中，电池组组件被组装成方形构造或圆柱形构造。在各个实施方案中，可以添加隔离件。
[0005]公开了用于电化学电池的电极的材料、设计和制造方法。在各个实施方案中，电极包含铁。
[0006]各个实施方案包括一种电池组，包括：第一电极，其包含锰氧化物；电解液(electrolyte)；和第二电极，其包含铁。在一些实施方案中，铁包括直接还原铁(DRI)。在一些实施方案中，电解液是液态电解质(liquid electrolyte)。在一些实施方案中，电解液包含碱金属氢氧化物，其包括氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铯(CsOH)或它们的混合物。在一些实施方案中，电解液包含碱金属硫化物或多硫化物，其包括硫化锂(Li2S)或多硫化锂(Li2S
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，x＝2至6)、硫化钠(Na2S)或多硫化钠(Na2S
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，x＝2至6)、硫化钾(K2S)或多硫化钾(K2S
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,x＝2至6)，或它们的混合物。在一些实施方案中，第二电极是球团化的并且包括多峰分布。在一些实施方案
中，锰氧化物包括氧化锰(IV)(MnO2)、氧化锰(III)(Mn2O3)、羟基氧化锰(III)(MnOOH)、氧化锰(II)(MnO)、氢氧化锰(II)(Mn(OH)2)，或其混合物。在一些实施方案中，第二电极还包含铁的氧化物、氢氧化物、硫化物或它们的混合物。在一些实施方案中，第二电极进一步包含一种或多种第二相，其包括二氧化硅(SiO2)或硅酸盐、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)或它们的混合物。在一些实施方案中，第二电极进一步包含惰性导电基质，该惰性导电基质包含炭黑、活性炭、石墨粉、碳钢网、不锈钢网、钢丝棉、镀镍碳钢网、镀镍不锈钢网、镀镍钢丝棉或其混合物。在一些实施方案中，第二电极还包含一种或多种析氢反应抑制剂。在一些实施方案中，第一电极具有小于约50m2/g的比表面积。在一些实施方案中，第一电极具有小于约1m2/g的比表面积。在一些实施方案中，第二电极具有小于约5m2/g的比表面积。在一些实施方案中，第二电极具有小于约1m2/g的比表面积。在一些实施方案中，第一电极包括粘合剂，该粘合剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素(CMC)、羧甲基纤维素钠(Na
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CMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚吡咯(PPy)或其组合。在一些实施方案中，第一电极包括添加剂，该添加剂包括氧化铋(III)(Bi2O3)、硫化铋(III)(Bi2S3)、氧化钡(BaO)、硫酸钡(BaSO4)、氢氧化钡(Ba(OH)2)、氧化钙(CaO)、硫酸钙(CaSO4)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氧化镁(MgO)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氮掺杂的碳纳米管、氮掺杂的碳纳米纤维、氮掺杂的石墨烯或其组合。在一些实施方案中，在第一电极和第二电极之间使用隔离件材料。在一些实施方案中，铁包括铁精矿(concentrate)。在一些实施方案中，铁包括选自由球团、BF级球团、DR级球团、赤铁矿、磁铁矿、方铁矿、假象赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、菱铁矿、黄铁矿、钛铁矿或尖晶石锰铁氧体组成的组中的至少一种形式的铁。在一些实施方案中，铁包括铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石包含按质量计的至少0.1％的SiO2。在一些实施方案中，铁矿石包含按质量计的至少0.1％的CaO。在一些实施方案中，铁包括雾化的铁粉。在一些实施方案中，铁包括铁团聚体。在一些实施方案中，铁团聚体的平均长度的范围为约50um至约50mm。在一些实施方案中，铁团聚体具有的平均内部孔隙率的范围按体积计为约10％至约90％。在一些实施方案中，铁团聚体的平均比表面积的范围为约0.1m2/g至约25m2/g。在一些实施方案中，电解液包含钼酸根阴离子和二价硫阴离子。在各个实施方案中，各个实施方案的电池组可以包括在大容量能量存储系统的一个或多个电池组的堆叠件中。在各个实施方案中，大容量能量存储系统是长持续时间能量存储(LODES)系统。各个实施方案可以包括制造电池组的方法，包括：提供包含锰氧化物的第一电极；提供电解液；以及提供包含铁的第二电极。
附图说明
[0007]图1A是根据本公开的各个实施方案的具有方形构造的电化学电池的示意图。
[0008]图1B是基于图1A公开的电化学电池的堆叠构造的示意图。
[0009]图1C是使用连接电化学重复单元的双极集流体的堆叠构造的示意图。
[0010]图2A和2B是氢复合电极的示意图。
[0011]图2C、2D、2E和2F是电池中氢复合电极的各种布置的示意图。
[0012]图3A是使用约1.3g铁粉作为负极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电池组，包括：第一电极，包含锰氧化物；电解液；和第二电极，包含铁。2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述铁包括直接还原铁(DRI)。3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电解液为液态电解质。4.根据权利要求3所述的电池组，其中，所述电解液包含碱金属氢氧化物，所述碱金属氢氧化物包括氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铯(CsOH)或它们的混合物。5.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述电解液包含碱金属硫化物或多硫化物，所述碱金属硫化物或多硫化物包括硫化锂(Li2S)或多硫化锂(Li2S
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，x＝2至6)、硫化钠(Na2S)或多硫化钠(Na2S
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，x＝2至6))、硫化钾(K2S)或多硫化钾(K2S
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，x＝2至6)、硫化铯(Cs2S)或多硫化铯(Cs2S
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，x＝2至6)，或它们的混合物。6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极是球团化的并且包括多峰分布。7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述锰氧化物包括氧化锰(IV)(MnO2)、氧化锰(III)(Mn2O3)、羟基氧化锰(III)(MnOOH)、氧化锰(II)(MnO)、氢氧化锰(II)(Mn(OH)2)，或其混合物。8.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极还包含铁的氧化物、氢氧化物、硫化物或它们的混合物。9.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极还包含一种或多种第二相，所述第二相包含二氧化硅(SiO2)或硅酸盐、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)或它们的混合物。10.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极还包含惰性导电基质，所述惰性导电基质包括炭黑、活性炭、石墨粉、碳钢网、不锈钢网、钢丝棉、镀镍碳钢网、镀镍不锈钢网、镀镍钢丝棉或它们的混合物。11.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极还包含一种或多种析氢反应抑制剂。12.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一电极具有小于约50m2/g的比表面积。13.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一电极具有小于约1m2/g的比表面积。14.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极具有小于约5m2/g的比表面积。15.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二电极具有小于约1m2/g的比表面积。16.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一电极包含粘合剂，所述粘合剂包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素(CMC)、羧甲基纤维素钠(Na
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CMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚吡咯(PPy)或其组合。17.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一电极包含添加剂，所述添加剂包括氧化铋(III)(Bi2O3)、硫化铋(III)(Bi2S3)、氧化钡(BaO)、硫酸钡(BaSO4)、氢氧化钡(Ba(OH)2)、氧化钙
(CaO)、硫酸钙(CaSO4)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氧化镁(MgO)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氮掺杂的碳纳米管、氮掺杂的碳纳米纤维、氮掺杂的石墨烯或它们的组合。18.根据权利要求1所述的电池组，其中，在所述第一电极和所述第二电极之间使用隔离件材料。19.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述铁包括铁精矿。20.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述铁包括选自由以下组成的组中的至少一种形式的铁：球团、BF级球团、DR级球团、赤铁矿、磁铁矿、方铁矿、假象赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、菱铁矿、黄铁矿、钛铁矿或尖晶石锰铁氧体。21.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述铁包括铁矿石。22.根据权利要求21所述的电池组，其中，所述铁矿石包含按质量计的至少0.1％的SiO2。23.根据权利要求21所述的电池组，其中，所述铁矿石包含按质量计的至少0.1％的CaO。24.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述铁包括雾化的铁粉。25.根据权利要求1所述的电池组，其中，...

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