固定的流体氧化还原电极制造技术

本发明专利技术涉及包括至少一个包含封装在电池内的电化学活性流体的电极的电化学能量产生装置，以及相关制品、系统和方法。在一些实施方案中，本发明专利技术中描述的电化学能量产生装置的阳极和/或阴极可由电化学活性流体如半固体或氧化还原活性离子贮存液体形成。可配置电化学能量产生装置使得例如在组装期间阳极和/或阴极可流入它们各自的电极室中。另一方面，在工作期间少量或没有（一种或多种）电化学活性流体输送至能量产生装置中或能量产生装置外（例如电化学能量产生装置的电极室外）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
总体上描述了使用包含至少一种固定的流体氧化还原电极(stationary, fluidredox electrode)的电化学能量产生装置的能量产生。
技术介绍
电化学电池通过分离处于不同离子电化学电势的离子源与离子池(sink)贮存电化学能。电化学电势方面的差值在正极与负极之间产生电压差，如果电极通过导电元件连接，该电压差可用于产生电流。通过施加在与使用中的正在放电的蓄电池相反的方向上驱动电子电流和离子电流的相反电压差，可以将可再充电蓄电池再充电。在可再充电蓄电池中，电极活性材料通常需要能够接受并提供离子。使用固体阳极和阴极构造了很多传统的可再充电电化学电池(例如蓄电池)。这样的电化学电池的组装可为困难的。例如，在很多情形中，通过将电极涂覆至金属集流体箔上，干燥，压缩并且切割这样的电极以成型，将很多所述的电极薄层与分隔膜一起卷绕或堆叠并且装入电池中，组装可再充电蓄电池。这样的制造步骤可需要昂贵的精密设备。此外，使用固体阳极和阴极的电化学电池在尺寸和形状因素(form factor)上可为相对受限制的，并且在使用期间可为相对脆弱的。需要减少这些问题中的一个或多个的电化学电池系统。
技术实现思路
描述了使用包含至少一种固定的流体氧化还原电极的电化学能量产生装置的能量产生。本专利技术的主题在一些情形中涉及相关产品，对特定问题的替代性解决方案，和/或一种或多种系统和/或制品的多种不同用途。在一方面，描述了电化学电池。在一些实施方案中，电化学电池包含配置成包含第一电化学活性流体的第一电极室，第一电极室的至少一部分壁包含离子交换介质；和配置成包含第二电化学活性流体的第二电极室，第二电极室的至少一部分壁包含离子交换介质。在一些实施方案中，配置第一和/或第二电极室中的至少一个使得电化学活性流体可流入室中，第一和/或第二电化学活性流体包含半固体和氧化还原活性离子贮存液体中的至少一种，并且配置电化学电池使得在工作期间至少一种所述第一和第二电化学活性流体都没有被输送出第一或第二电极室，或者小于约20wt%的至少一种所述第一和第二电化学活性流体被输送出第一或第二电极室。在一些实施方案中，电化学电池包含配置成包含第一电化学活性流体的第一电极室，该第一电化学活性流体包含半固体和氧化还原离子贮存液体中的至少一种，第一电极室的至少一部分壁包含离子交换介质；和配置成包含第二电化学活性流体的第二电极室，该第二电化学活性流体包含半固体和氧化还原活性离子贮存液体中的至少一种，该第二电极室的至少一部分壁包含离子交换介质。在一些实施方案中，配置电化学电池使得在工作期间至少一种所述第一和第二电化学活性流体都没有被输送出第一或第二电极室，或者小于约20wt%的至少一种所述第一和第二电化学活性流体被输送出第一或第二电极室，并且第一和第二电化学活性流体具有小于约1.5X IO6CP的稳态剪切粘度。在一个系列的实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，其中第一电极包含含有阴极活性材料的第一半固体，该阴极活性材料包含锂过渡金属磷酸盐橄榄石(phospho-olivine)和钠猛氧化物中的至少一种,和/或第二电极包含含有阳极活性材料第二半固体，该阳极活性材料包含钛酸锂尖晶石；并且配置电化学电池使得在工作期间至少一种所述第一和第二半固体都没有被输送出第一或第二电极室，或者小于约20wt%的至少一种所述第一和第二半固体被输送出第一或第二电极室。在一些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，该第二电极包含氧化还原活性离子贮存液体，其中配置电化学电池使得在工作期间没有氧化还原活性离子贮存液体被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的氧化还原活性离子贮存液体被输送出第二电极室，并且第一电极包含第一电化学活性流体和/或电化学电池包含可再充电蓄电池。在某些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，该第二电极包含含有阳极活性材料的半固体电化学活性流体，其中半固体电化学活性流体包含能够表现出电容或伪电容电荷贮存的碳，并且配置电化学电池使得在工作期间没有半固体电化学活性流体被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的半固体电化学活性流体输送出第二电极室。在一些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，该第二电极包含含水半固体电化学活性流体；其中配置电化学电池使得在工作期间没有含水半固体电化学活性流体被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的含水半固体电化学活性流体被输送出第一或第二电极室。在某些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含含有半固体的第二电极的第二电极室，该半固体包含电子导电的纳米级颗粒；其中配置电化学电池使得在工作期间没有半固体被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的半固体被输送出第二电极室。在一些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，第二电极包含半固体，该半固体包含富勒烯、碳纳米管、石墨烯、金属、金属硫化物、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物和金属氧化物中的至少一种；其中配置电化学电池使得在工作期间没有半固体被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的半固体被输送出第二电极室。在某些实施方案中，电化学电池包含:包含第一电极的第一电极室；和包含第二电极的第二电极室，第二电极包含半固体或氧化还原活性离子贮存液体，其中配置电化学电池使得在工作期间没有第二电极被输送出第二电极室，或者小于约20wt%的第二电极被输送出第二电极室，并且在工作期间第二电极在第二电极室内循环。在另一方面，提供了组装电化学电池的方法。在一些实施方案中，该方法包括使第一电化学活性流体流入第一电极室中；使第二电化学活性流体流入第二电极室中；以及密封第一和第二电极室中的至少一个，其中第一和第二电化学流体中的至少一种包含半固体或氧化还原活性离子贮存液体。结合附图考虑，本专利技术的其它优势和新的特征，将从本专利技术的各种非限制性实施方案的如下详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包含冲突和/或不一致的公开内容时，以本说明书为准。附图说明本专利技术的非限制性实施方案将参考附图通过举例的方式进行描述，所述附图是示意图，并且不意欲按比例绘制。图中，所示的每个相同或者近似相同的组成部分通常用单个数字表示。为清晰起见，如果对于本领域的普通技术人员理解本专利技术不必进行说明，则未标明每幅图中的每个组成部分，也未显示本专利技术的每个实施方案中的每个组成部分。在图中:图1是根据一个系列的实施方案的电化学能量产生装置的示例横截面示意图；图2是粘度随剪切速率变化的示例曲线；图3A-3B是根据一些实施方案与在AC测试条件下悬浮液阻抗的虚部对实部相关的尼奎斯(Nyquist)曲线；图4A-4B是根据一系列实施方案电压随比容量变化的示例曲线；图5-8包括电压、容量和电流随时间变化的示例曲线；图9包括根据一个系列的实施方案电压随时间变化的示例曲线；图10A-10B是根据一个系列的实施方案的电压随容量变化的示例曲线；和图11-13是根据一些实施方案的电压随容量变化的示例曲线。具体实施例方式本专利技术涉及包括含有封装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.18 US 61/374,934;2010.12.16 US 61/424,0211.一种电化学电池，其包含: 配置成包含第一电化学活性流体的第一电极室，第一电极室的至少一部分壁包含离子交换介质；和 配置成包含第二电化学活性流体的第二电极室，第二电极室的至少一部分壁包含离子交换介质，其中: 配置第一和/或第二电极室中的至少一个使得电化学活性流体能够流入室中， 第一和/或第二电化学活性流体包含半固体和氧化还原活性离子贮存液体中的至少一种，并且 配置电化学电池使得在工作期间至少一种所述第一和第二电化学活性流体都没有被输送出第一或第二电极室，或者小于约20wt%的至少一种所述第一和第二电化学活性流体被输送出第一或第二电极室。2.一种电化学电池，其包含: 配置成包含第一电化学活性流体的第一电极室，第一电化学活性流体包含半固体和氧化还原活性离子贮存液体中的至少一种，第一电极室的至少一部分壁包含离子交换介质；和 配置成包含第二电化学活性流体的第二电极室，第二电化学活性流体包含半固体和氧化还原活性离子贮存液体中的至少一种，第二电极室的至少一部分壁包含离子交换介质，其中配置电化学电池使得在工作期间 : 至少一种所述第一和第二电化学活性流体都没有被输送出第一或第二电极室，或者小于约20wt%的至少一种所述第一和第二电化学活性流体被输送出第一或第二电极室，并且 第一和第二电化学活性流体具有小于约1.5X IO6CP的稳态剪切粘度。3.权利要求1-2中任一项的电化学电池，其中配置电化学电池使得在工作期间第一和第二电化学活性流体没有被输送出第一和第二电极室，或者小于约20wt%的第一和第二电化学活性流体被输送出第一或第二电极室。4.权利要求1-2中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体的电子导电率为至少约l(T6S/cm。5.权利要求1-2中任一项的电化学电池，其中配置第一电极室使得第一电化学活性流体能够流入第一室中，并且配置第二电极室使得第二电化学活性流体能够流入第二室中。6.权利要求1-5中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含半固体。7.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+、Na+、Mg2+、Al3+、Ca2+、H+、和 / 或 OH'8.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和包含金属氟化物的离子贮存化合物。9.权利要求8的电化学电池，其中金属氟化物包含(^2、？6匕、？6&、81&、(^2、和/或NiF2。10.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和包含CoO、Co3O4、NiO、CuO、和/或MnO的离子贮存化合物。11.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自具有式Li1^MhPO4的化合物的插层化合物，其中M包含至少一种选自T1、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni的第一行过渡金属，其中X为0-1并且z能够为正值或负值。12.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自具有式(LihZx)MPO4的化合物的插层化合物，其中M为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种，并且Z为非碱金属掺杂剂如T1、Zr、Nb、Al、或Mg中的一种或多种，并且X为0.005-0.05。13.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自具有式LiMPO4的化合物的插层化合物，其中M为V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种，其中该化合物任选在L1、M或0位置处掺杂。14.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自Ax (M' hM a) y (XD4) z、Ax (M' hM a) y (DXD4) z 和 Ax (M' ^aM a) y (X2D7) z 的插层化合物，其中: x，加y (l_a)乘以M'的形式价，加ya乘以M的形式价等于z乘以XD4、X2D7或DXD4基团的形式价；并且 A是碱金属和氢中的至少一种，W是第一行过渡金属，X是磷、硫、砷、钥和钨中的至少一种，M是任何第 IIA、IIIA、IVA, VA、VIA、VIIA、VIIIA、IB、IIB、IIIB、IVB, VB 和 VIB 族金属，D是氧、氮、碳或卤素中的至少一种。15.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自(AJ a)xM/ y (XD4) z、(AhM a)xM/ y (DXD4) z 和(A1^aM a)xM/ y (X2D7) z 的插层化合物，其中: (l-a)x加上ax乘以M的形式价加y乘以M'的形式价等于z乘以XD4、X2D7或DXD4基团的形式价；并且 A是碱金属和氢中的至少一种，W是第一行过渡金属，X是磷、硫、砷、钥和钨中的至少一种，M是任何第 IIA、IIIA、IVA, VA、VIA、VIIA、VIIIA、IB、IIB、IIIB、IVB, VB 和 VIB 族金属，D是氧、氮、碳或卤素中的至少一种。16.权利要求7的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含Li+和选自有序岩盐LiMnO2化合物的插层化合物， 其中M包含至少一种第一行过渡金属，但是可包括非过渡金属，其包括但不限于Al、Ca、Mg 或 Zr。17.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含固体，该固体包含无定形碳、无序碳、石墨碳或涂覆金属或装饰金属的碳。18.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含固体，该固体包含金属或金属合金或准金属或准金属合金或硅。19.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含固体，该固体包含纳米结构，包括纳米线、纳米棒和纳米四角体。20.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含固体，该固体包含有机氧化还原化合物。21.权利要求1-6中任一项的电化学电池，其中第一和/或第二电化学活性流体包含固体，该固体选自:有序岩盐化合物LiMO2,包括具有a -NaFeO2或斜方-LiMnO2结构类型的那些或它们的不同晶体对称性、原子排序、或部分取代金属或氧的衍生物，其中M包含至少一种第一行过渡金属，但是可包括非过渡金属，其包括但不限于Al、Ca、Mg或Zr，并且负电极包含可流动半固体离子贮存氧化还原组合物，该组合物包含选自无定形碳、无序碳、石墨碳或涂覆金属或装饰金属的碳的固体。22.权利要求1-6中任一项的电化学电池,其中电化学电池包含正电极活性材料,该正极活性材料包含选自 Ax (M' i_aM a) y (XD4) Z、AX(M'a) y (DXD4) z 和 Ax (M'Jy(X2D7)z的固体，并且其中x，加y(l-a)乘以M'的形式价，加ya乘以M的形式价等于z乘以XD4、X2D7或DXD4基团的形式价，并且A是碱金属和氢中的至少一种，W是第一行过渡金属，X是磷、硫、砷、钥和钨中的至少一种，M是任何第IIA、IIIA、IVA、VA、VIA、VIIA、VIIIA、IB、IIB、IIIB、IVB、VB和VIB族金属，D是氧、氮、碳或卤素中的至少一种，并且负极包含可流动半固体离子贮存氧化还原组合物，该组合物包含选自无定形碳、无序碳、石墨碳或涂覆金属或装饰金属的碳的固体。23.权利要求1-6中任一项的电化学电池,其中电化学电池包含正电极活性材料,该正电极活性材料包含具有尖晶石结构的化合物。24.权利要求1-6中任一项的电化学电池,其中电化学电池包含正电极活性材料,该正电极活性材料包含选自LiMn2O4及它们的衍生物的化合物；层状尖晶石纳米复合材料，其中该结构包括具有有...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜一民，W·C·卡特尔，M·杜杜塔，B·Y·侯，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：
国别省市：