鎂蓄電池用碳硼烷基鎂電解質(zhì)制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種鎂蓄電池用碳硼烷基鎂電解質(zhì)。本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。具體地，本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種具有鎂陽極、陰極、和由非貴金屬制成的集流體、以及碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。在與所述電解質(zhì)接觸時，非貴金屬陰極集流體具有相對于鎂參比＞3.0V的極高的氧化穩(wěn)定性。另外提供了制備所述電化學(xué)裝置的方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
鎂蓄電池用碳硼烷基鎂電解質(zhì)相關(guān)申請的交叉引用本申請是2013年5月25日提交的美國專利申請No.13/902，797的部分接續(xù)，并通過引用將其全文并入本文中。
本專利技術(shù)主要針對于電化學(xué)裝置，且針對于用于制造具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置的方法，且特別針對于具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置，所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)與鎂陽極和由非貴金屬制成的陰極兼容并同時保持相對于鎂參比＞3.0V的氧化穩(wěn)定性。
技術(shù)介紹
由于在電極表面處的離子阻擋層的形成，鎂(Mg)的多數(shù)普通鹽不能用作有效的鎂蓄電池電解質(zhì)。先前已顯示，格氏試劑(R-Mg-X)支持鎂的沉積和剝離。目前，典型的電解質(zhì)是基于一組被稱為有機鹵素鋁酸鹽的化合物，所述有機鹵素鋁酸鹽通過烷基格氏試劑或芳基格氏試劑與鋁基路易斯酸(A1X3)的反應(yīng)而獲得。和鎂金屬兼容并具有所報道的高度穩(wěn)定性的其它非鹵素鋁酸鹽電解質(zhì)是基于三(3，5-二甲基苯基)硼烷和苯基格氏試劑。上述化合物已顯示有效調(diào)節(jié)可逆的鎂沉積和剝離，并且與先前評估的電解質(zhì)相比具有增強的電流密度，但與非貴金屬電極例如不銹鋼、銅和鋁不兼容。例如，這些化合物已顯示在鉑表面處穩(wěn)定于＞3.0V(相對于鎂參比)，但被發(fā)現(xiàn)在不銹鋼上有非常低的穩(wěn)定性，即＜2.5V(相對于鎂參比)以及在鋁上＜2.0V(相對于鎂參比)，這是由于它們與這些金屬表面在＞2.5V(相對于鎂參比)的電勢下的不兼容性。這阻止了非貴金屬用作與高電壓陰極接觸的集流體，從而限制了理論上鎂蓄電池的能量密度。此外，其中將貴金屬用作集流體的理論鎂蓄電池會招致非常高的成本。因此，存在對于與非貴金屬電極會兼容的改進的電解質(zhì)的需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
在各種非限制性實施方案中公開了具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置以及用于形成這些電化學(xué)裝置的方法。在一個實施方案中，本文中提供了一種電化學(xué)裝置，其包括包含鎂的陽極、陰極例如謝弗雷爾相(Chevrelphase)Mo6S8和碳硼烷基鎂電解質(zhì)。所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)包括具有下式的組成：式(I)：Mg(CiBjHj+1)X，式(II)：Mg(CiBjHj+1)Y，式(III)：Mg(CiBjHj+1)2，式(IV)：Mg2(C2BjHj)X2，或以上至少兩者的組合，其中i是1或2；j是8至11的整數(shù)，包括端點；X是鹵素離子，例如氯離子(Cl-)、溴離子(Br-)、或碘離子(I-)；以及其中Y是非鹵素單價陰離子(即具有-1價的陰離子，例如[BH4]-)。在另一個實施方案中，本文中提供了一種用于制備電化學(xué)裝置的方法。該方法包括通過外部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)將由鎂或鎂合金組成的陽極和陰極連接的步驟以及使所述陽極和陰極與碳硼烷基鎂電解質(zhì)接觸的步驟。該碳硼烷基鎂電解質(zhì)包括具有下式的組成：式(I)：Mg(CiBjHj+1)X，式(II)：Mg(CiBjHj+1)Y，式(III)：Mg(CiBjHj+1)2，式(IV)：Mg2(C2BjHj)X2，或以上至少兩者的組合，其中i是1或2；j是8至11的整數(shù)，包括端點；X是鹵素離子，例如氯離子(Cl-)、溴離子(Br-)、或碘離子(I-)；以及其中Y是非鹵素單價陰離子(即具有-1價的陰離子，例如[BH4]-)。當結(jié)合示例性而不是限制性的附圖和實施例閱讀時，具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置及其制備方法的這些和其它的特征將從下面的詳細描述中變得明顯。可將所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)單獨利用或與其它電解質(zhì)材料組合利用。附圖說明為了更好地理解具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的方法和裝置，關(guān)于其實施方案，參考所附實施例和附圖，其中：圖1是與在四氫呋喃(THF)中的0.2M1-(1，7-碳硼烷基)氯化鎂接觸的鉑(Pt)工作電極以5mV/s的掃描速率的循環(huán)伏安圖；圖2是與在THF中的0.05M1，7-(1，7-碳硼烷基)-雙-氯化鎂接觸的Pt工作電極以5mV/s的掃描速率的循環(huán)伏安圖；圖3是每一個均與在THF中的0.2M1-(1，7-碳硼烷基)氯化鎂接觸的各個工作電極以5mV/s的掃描速率的一組線性掃描伏安圖；圖4A是電化學(xué)電池的多個充電/放電循環(huán)下的電壓對時間的曲線圖，所述電化學(xué)電池具有與鎂金屬電極相對的硫化鉬(MO6S8)電極和0.2M1-(1，7-碳硼烷基)氯化鎂電解質(zhì)；圖4B是圖4A的電化學(xué)電池的比容量對循環(huán)次數(shù)的曲線圖；圖5A是與在四甘醇二甲醚中的0.1M溶劑無水的鎂雙(1-卡巴閉合十二硼酸酯/鹽)(1-carba-closo-dodecaborate)接觸的Pt工作電極以5mV/s的掃描速率的循環(huán)伏安圖；圖5B是與在四甘醇二甲醚中的0.75M溶劑鎂雙(1-卡巴閉合十二硼酸酯/鹽)接觸的Pt工作電極以5mV/s的掃描速率的循環(huán)伏安圖；以及圖5C是與在四甘醇二甲醚中的0.1M溶劑鎂雙(1-卡巴閉合十二硼酸酯/鹽)接觸的316不銹鋼工作電極以5mV/s的掃描速率的循環(huán)伏安圖。具體實施方式本文中提供了具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置和用于制造電化學(xué)裝置的方法的示例性實施方案。所提供的具有碳硼烷基鎂電解質(zhì)的電化學(xué)裝置可有利于在具有由非貴金屬例如不銹鋼制成的電極的鎂蓄電池中的使用。該電化學(xué)裝置例如可以是蓄電池組電池，其通常包括陽極集流體和陰極集流體，視情況而定，它們可外部連接到負載或再充電源。應(yīng)注意，術(shù)語“陽極”和“陰極”在本說明書中用作在蓄電池被放置在跨接負載的上下文中理解的那些術(shù)語，即術(shù)語“陽極”表示蓄電池的負極且術(shù)語“陰極”表示蓄電池的正極。另外，陽極或“負電極”意指其中在放電過程中發(fā)生電化學(xué)氧化的電極。類似地，陰極或“正電極”意指其中在放電過程中發(fā)生電化學(xué)還原的電極。在一個實施方案中，陽極、陰極或兩者是基本上或完全由非貴金屬例如不銹鋼、鋁、鎂、銅或包括上述至少一種的合金制成。在某些實例中，“金屬”意指金屬和類金屬。陰極的其它實例包括氧化物、硫化物和硫。Mohtadi等人的美國臨時申請序列號61/678,672報道了基于無鹵化物陰離子的鎂電解質(zhì)例如硼氫化鎂及其衍生物(例如硼簇)，在電通過引用將其全文并入本文中。硼氫化鎂電解質(zhì)被報道為無腐蝕的電解質(zhì)，這是由于在陰離子結(jié)構(gòu)中不存在鹵素離子。作為對美國臨時序列號61/678,672的補充，本文中提供了基于碳硼烷基陰離子的電解質(zhì)。類似于陰離子硼簇例如(B12H12)2-，陰離子碳硼烷基結(jié)構(gòu)例如(CB11H12)-和(C2B10H11)-均受益于所希望的鹵素離子的不存在，但在醚溶劑中具有更高的溶解度。碳硼烷的有機鎂化合物的應(yīng)用以往僅限于它們在化學(xué)合成中作為中間體的用途。本文公開的是所發(fā)現(xiàn)的這些材料的電化學(xué)性能及其用作用于可再充電鎂蓄電池的電解質(zhì)的用途。實例可為化合物如MgC2B10H11X和MgCB11H12X，其中X是鹵素離子例如Cl-和Br-，和無鹵素離子的化合物，如Mg(C2B10H11)2、Mg(CB11H12)2、Mg(C2B10H11)-，和Mg(CB11H12)(BH4)。其它的實例可包括化合物如Mg2(C2B10H10)X2，其中X是鹵素陰離子例如Cl-。這些碳硼烷基鎂化合物與鎂金屬兼容并且可以在貴金屬和非貴金屬電極兩者上展現(xiàn)高氧化穩(wěn)定性。例如，MgC2B10H11Cl顯示了在不銹鋼金屬上的氧化穩(wěn)定性(例如相對于鎂參比3.2V)，迄今為止高于任何其它與Mg金屬兼容的電解質(zhì)。因此通過使用本文中本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種電化學(xué)裝置，包含：包含鎂的陽極；陰極；和碳硼烷基鎂電解質(zhì)，所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)包含具有下式的組成：式(I)：Mg(CiBjHj+1)X，式(II)：Mg(CiBjHj+1)Y，式(III)：Mg(CiBjHj+1)2，式(IV)：Mg2(C2BjHj)X2，或以上至少兩者的組合，其中i是1或2；j是8至11的整數(shù)，包括端點；X是鹵素離子；且其中Y是非鹵素單價陰離子(即具有?1價的陰離子)。

【技術(shù)特征摘要】
2013.05.25 US 13/902,797;2014.05.07 US 14/272,3181.一種電化學(xué)裝置，包含：包含鎂的陽極；陰極；和碳硼烷基鎂電解質(zhì)，所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)包含具有下式的組成：式(I):Mg(CiBjHj+1)X，式(II):Mg(CiBjHj+1)Y，式(III):Mg(CiBjHj+1)2，式(IV):Mg2(C2BjHj)X2，或以上至少兩者的組合，其中i是1或2；j是8至11的整數(shù)，包括端點；X是鹵素離子；且其中Y是(BH4)-。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)裝置，其中CiBjHj+1表示碳硼烷基鎂電解質(zhì)的碳硼烷基陰離子，其是二十面體閉合碳硼烷基陰離子，其中(i+j)等于12。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)裝置，其中X是Cl-或Br-或I-。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)裝置，其中所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)通過使具有CiBjHi+j的式的碳硼烷與格氏試劑或二烷基鎂化合物接觸而獲得。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)裝置，其中所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)通過使由式LiCiBjHj+1或由式Li2C2BjHj表示的碳硼烷基鋰與鎂鹽接觸而獲得。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)裝置，其中所述碳硼烷基鎂電解質(zhì)通過使由式AgCiBjHj+1表示的碳硼烷基銀與鎂鹽接觸而獲得。7.根據(jù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：R·穆赫塔迪，O·圖圖斯奧斯，T·S·阿瑟，T·J·卡特，
申請(專利權(quán))人：豐田自動車工程及制造北美公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US