高效鎳-鐵電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種可充電電池，包括：鐵電極，所述鐵電極包括分散在纖維導(dǎo)電基底上的羰基鐵組合物。所述羰基鐵組合物包括羰基鐵和至少一種添加劑。對(duì)電極與所述鐵電極間隔開。電解質(zhì)與所述鐵電極和所述對(duì)電極接觸，從而在放電期間，所述鐵電極中的鐵由于所述對(duì)電極處發(fā)生的還原反應(yīng)而被氧化，進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢。在充電期間，所述鐵電極中的鐵的氧化物和氫氧化物由于所述對(duì)電極(即，鎳電極或空氣電極)處發(fā)生的氧化反應(yīng)而被還原。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2013年9月23日提交的U.S.臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/960,645以及2013年9月23日提交的U.S.臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/960,653的權(quán)益，上述文件所披露的內(nèi)容通過引用而整體并入本申請(qǐng)。關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明本專利技術(shù)按照項(xiàng)目編號(hào)DE-AR0000136得到政府支持，該項(xiàng)目得到美國能源部高級(jí)研究計(jì)劃部署-能源項(xiàng)目的資助。政府擁有本專利技術(shù)的某些權(quán)利。
在至少一個(gè)方面，本專利技術(shù)涉及用于可充電電池的鐵電極。
技術(shù)介紹
需要高效的、穩(wěn)固以及可擴(kuò)展的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)來適應(yīng)來自太陽能和風(fēng)力資源所產(chǎn)生的電力的固有的變化性和間隔性。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)在產(chǎn)能過剩時(shí)段中將保留能量，并且在電力需求增加的時(shí)段中將釋放能量。由于可充電電池的可擴(kuò)展性、能量效率以及它們的靈活性(幾乎可以放置在任何地方)，其特別適合于這種應(yīng)用。盡管許多可充電電池的系統(tǒng)能夠商購得到，并且也正在測試其用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，但是幾乎沒有任何一個(gè)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)固性或成本效益足以滿足日益生長的市場需求(負(fù)荷量、高峰調(diào)節(jié)和微電網(wǎng))。因此，對(duì)于大規(guī)模電能儲(chǔ)存的可行系統(tǒng)的研發(fā)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。市售的鐵基電池是基于20世紀(jì)40年代研發(fā)的一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)大的技術(shù)。這些電池利用充電效率為70％的鐵電極。因此，該電池必須過度充電約100％以實(shí)現(xiàn)完全充電。然而，這些電池不能在約5小時(shí)內(nèi)放完電。為了實(shí)現(xiàn)所需的性能水平，所述電池中包括五倍于所需容量的電極。這種超標(biāo)的電極降低了質(zhì)量-能量比，并且從而增加了儲(chǔ)存每千瓦時(shí)能量的成本。自從使用鐵電極的最早報(bào)道開始至今，鐵電極的低充電效率仍然是一個(gè)問題。析氫的寄生反應(yīng)使電池的雙向能源效率降低，并且導(dǎo)致電解質(zhì)中水的損失。因此，在充電期間完全抑制析氫反應(yīng)或得到接近100％的充電效率對(duì)于鐵基電池的大規(guī)模實(shí)施是至關(guān)重要的。因此，需要一種運(yùn)行更有效的改進(jìn)電池。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
通過在至少一個(gè)實(shí)施方式中提供具有鐵電極的可充電電池，本專利技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)問題。所述可充電電池包括鐵電極，所述鐵電極包括分散在纖維導(dǎo)電基底上的羰基鐵組合物。所述羰基鐵組合物包括羰基鐵和至少一種添加劑。對(duì)電極與所述鐵電極間隔開。電解質(zhì)與所述鐵電極和所述對(duì)電極接觸，從而在放電期間，所述鐵電極中的鐵由于所述對(duì)電極處發(fā)生的還原反應(yīng)而被氧化，進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢。在充電期間，所述鐵電極中的鐵的氧化物和氫氧化物由于所述對(duì)電極處發(fā)生的氧化反應(yīng)而被還原。。在又一實(shí)施方式中，提供了一種用于形成鐵電極的方法。所述方法包括：使羰基鐵粉末與至少一種添加劑結(jié)合以產(chǎn)生電極形成混合物的步驟。用所述電極形成混合物涂布金屬網(wǎng)。在無氧氣氛下燒結(jié)所述電極形成混合物以形成所述鐵電極。在又一實(shí)施方式中，提供了一種用于形成鐵電極的方法。所述方法包括：使羰基鐵與一種或多種添加劑以及可選的粘結(jié)劑結(jié)合以形成電極形成混合物的步驟，其中，所述羰基鐵具有小于約0.3重量％的氧化物含量。典型地，所述羰基鐵具有平均粒度為約2微米至5微米的鐵顆粒。將所述電極形成混合物引入到在其內(nèi)放置有鎳網(wǎng)或鎳涂布網(wǎng)的模具中。在50psi至200psi的壓力下，于140℃至180℃的溫度下，壓制所述電極形成混合物以形成在其內(nèi)并入有網(wǎng)的鐵電極。在又一實(shí)施方式中，提供了一種用于形成鐵電極的方法。所述方法包括：使羰基鐵與一種或多種添加劑以及可選的粘結(jié)劑結(jié)合以形成電極形成混合物的步驟，其中，所述羰基鐵具有小于約0.3重量％的氧化物含量。典型地，所述羰基鐵具有平均粒度為約2微米至5微米的鐵顆粒。用鎳網(wǎng)或鎳涂布網(wǎng)卷繞所述電極形成混合物以形成卷繞的結(jié)構(gòu)。使該卷繞的結(jié)構(gòu)平坦化以形成具有所述羰基鐵顆粒與所述添加劑的袋狀物。在又一實(shí)施方式中，提供了一種用于形成鐵電極的方法。所述方法包括：使羰基鐵與至少一種添加劑結(jié)合以形成電極形成混合物的步驟。將所述電極形成混合物施加至鎳網(wǎng)以形成鐵預(yù)制電極。對(duì)所述鐵預(yù)制電極進(jìn)行充放電以形成可循環(huán)的(cycleable)鐵電極。根據(jù)下文提供的詳細(xì)描述，本專利技術(shù)的其它示例性實(shí)施方式將更加明顯。應(yīng)當(dāng)理解的是，公開了本專利技術(shù)的示例性實(shí)施方式的詳細(xì)描述和具體實(shí)施例僅用于示例說明的目的，并不用于限制本專利技術(shù)的范圍。附圖說明通過詳細(xì)的描述和后附附圖，將更充分地理解本專利技術(shù)的示例性實(shí)施方式，其中：圖1為包括鐵電極的實(shí)施方式的電池的示意圖。圖2為包括鐵電極的實(shí)施方式的電池的示意圖。圖3為鎳鐵電池的充放電曲線，證實(shí)了高充電效率。圖4為充電效率作為循環(huán)的函數(shù)在C/2速率充電和C/20速率放電的圖。條帶是指市售鎳-鐵電池的現(xiàn)有技術(shù)中市售鐵電極的充電效率。圖5為鐵電極的放電容量作為歸一化放電速率的函數(shù)的圖。歸一化放電速率表示為以安培-小時(shí)為額定容量的1/n倍，其中，n為放電的小時(shí)數(shù)(例如，l/n＝0.5對(duì)應(yīng)于兩小時(shí)內(nèi)全部容量的放電)。圖6A為市售鐵電極和具有氧化鉍和鐵硫化物(ironsulfide)作為電極添加劑的羰基鐵電極的充電效率。圖6B為相對(duì)于重復(fù)循環(huán)，含氧化鉍和鐵硫化物的羰基鐵電極的充電效率的變化。注意的是，循環(huán)9至循環(huán)11專用于速率性能測量，因此并未收集充電效率數(shù)據(jù)。圖7A為在30％的氫氧化鉀電解質(zhì)中，氧化鉍電極的恒電流電解還原反應(yīng)。圖7B為在圖7A的還原反應(yīng)之后，氧化鉍電極的X-射線衍射(XRD)圖。圖8A為含不同量的氧化鉍(5w/w％)的羰基鐵電極的XRD圖。圖8B為含不同量的氧化鉍(10w/w％)的羰基鐵電極的XRD圖圖9A至圖9F為在30％的氫氧化鉀電解質(zhì)中具有不同添加劑的鐵顆粒的掃描電子顯微圖片(SEM)，其中，(A、B)羰基鐵、(C、D)羰基鐵和鐵硫化物、(E、F)羰基鐵和氧化鉍。圖10為在30w/v％氫氧化鉀中，各種組成的完全充電的壓制板狀鐵電極的陰極塔菲爾極化曲線。圖11A和圖11B為鐵電極的放電容量作為歸一化放電速率的函數(shù)的圖。圖12為以0.17mVs-1的掃描速率，在30w/v％氫氧化鉀中，各種組成的完全充電的壓制板狀鐵電極的陽極極化曲線。圖13為壓制板狀羰基鐵電極的XRD圖譜，其中，壓制板狀羰基鐵電極在長期循環(huán)后，由加入至電解質(zhì)的氧化鉍和硫化鈉進(jìn)行改性。圖14提供了具有鐵硫化物添加劑的壓制板狀羰基鐵電極上測量的電位-充電曲線，示出了1％和5％的鐵硫化物對(duì)放電性質(zhì)的影響。圖15提供用于比較具有和不具有孔形成添加劑的壓制板狀鐵電極的放電容量的柱狀圖。圖本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電池，包括：鐵電極，所述鐵電極包括分散在纖維導(dǎo)電基底上的羰基鐵組合物，所述羰基鐵組合物包括羰基鐵和至少一種添加劑，與所述鐵電極間隔開的對(duì)電極，以及與所述鐵電極和所述對(duì)電極相接觸的電解質(zhì)；其中，在放電期間，所述鐵電極中的鐵由于所述對(duì)電極處發(fā)生的還原反應(yīng)而被氧化，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2013.09.23 US 61/960,645;2013.09.23 US 61/960,6531.一種電池，包括：
鐵電極，所述鐵電極包括分散在纖維導(dǎo)電基底上的羰基鐵組合物，所述羰
基鐵組合物包括羰基鐵和至少一種添加劑，
與所述鐵電極間隔開的對(duì)電極，以及
與所述鐵電極和所述對(duì)電極相接觸的電解質(zhì)；
其中，在放電期間，所述鐵電極中的鐵由于所述對(duì)電極處發(fā)生的還原反應(yīng)
而被氧化，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述纖維導(dǎo)電基底包括多個(gè)含鐵
絲狀物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池，其中，所述纖維導(dǎo)電基底為鋼絲棉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述添加劑選自由氧化鉍、鉍酸
鈉、硫化鉍、硫化銅、硫化鎳、硫化鋅、硫化鉛、硫化汞、硫化銦、硫化鎵以
及硫化錫所組成的組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池，其中，所述添加劑包括鐵硫化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池，其中，所述鐵硫化物以所述羰基鐵組合
物的總重量的2重量％至8重量％的量存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述羰基鐵組合物包括通過燒結(jié)
熔凝在一起的羰基鐵顆粒，其中，羰基鐵顆粒通過燒結(jié)材料區(qū)而連結(jié)，從而限
定多個(gè)互連的孔隙，其中，所述燒結(jié)為通過熱、激光、微波或電子束進(jìn)行的燒
結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述對(duì)電極為與所述鐵電極間隔
開的空氣電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述對(duì)電極為鎳電極，所述鎳電
極維持電化學(xué)反應(yīng)，且所述鎳電極維持氫氧化鎳(Ni(OH)2)和羥基氧化鎳
(NiOOH)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池，其中，所述鎳電極包括并入有氫氧化鎳
和羥基氧化鎳的泡沫金屬鎳。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述鐵電極包括金屬網(wǎng)，在所述
金屬網(wǎng)上，設(shè)置有所述羰基鐵組合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述電解質(zhì)包括氫氧化鉀和氫氧
化鋰的混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電池，其中，氫氧化鉀以所述電解質(zhì)的總重
量的2.5重量％至35重量％的量存在，氫氧化鋰以所述電解質(zhì)的總重量的0.1
重量％至25重量％的量存在。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電池，其中，所述電解質(zhì)進(jìn)一步包括電解質(zhì)
添加劑，所述電解質(zhì)添加劑選自由硫化鈉、硫化鉀以及它們的組合所組成的
組，所述電解質(zhì)添加劑的濃度為1g/1至5g/1。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中，所述羰基鐵組合物具有約30體
積％至70體積％的孔隙率。
16.一種用于制造在鐵基可充電電池中使用的鐵電極的方法，所述方法包
括：
使羰基鐵粉末與至少一種添加劑結(jié)合以產(chǎn)生電極形成混合物，
用所述電極形成混合物涂布金屬網(wǎng)，以及
在無氧氣氛下燒結(jié)所述電極形成混合物以形成所述鐵電極。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，對(duì)所述電極形成混合物進(jìn)行熱
燒結(jié)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，在700℃至1000℃的溫度下，
燒結(jié)所述電極形成混合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，對(duì)所述電極形成混合物進(jìn)行微
波輻照燒結(jié)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在燒結(jié)期間，用不含氧原子的
氣體吹掃所述電極形成混合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述電極形成混合物進(jìn)一步包
含鋼絲棉。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述添加劑選自由氧化鉍、鉍
酸鈉、硫化鉍、硫化銅、硫化鎳、硫化鋅、硫化鉛、硫化汞、硫化銦、硫化鎵

\t以及硫化錫所組成的組。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中，所述鐵電極包括鐵硫化物。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電池，其中，所述鐵硫化物以所述羰...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：斯里·R·納拉揚(yáng)，阿斯文·馬諾哈爾，楊晨光，蘇里亞·G·K·普拉卡什，羅伯特·奧尼斯菲爾德，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南加利福尼亞大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US