具有雙極性法拉第膜的電化學(xué)電池制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供了一種電化學(xué)電池，其包括具有含有第一活性金屬的第一液相的負(fù)極，具有含有第二活性金屬的第二液相的正極，以及具有所述第一活性金屬的鹽和所述第二活性金屬的鹽的液體電解質(zhì)。所述電化學(xué)電池還包括配置在所述負(fù)極與所述正極之間，具有面朝所述負(fù)極的第一表面和面朝所述正極的第二表面的雙極性法拉第膜。所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成允許所述第一活性金屬的陽(yáng)離子通過(guò)并阻礙所述第二活性金屬的陽(yáng)離子從所述正極轉(zhuǎn)移到所述負(fù)極，并且至少部分由電子電導(dǎo)率足以在所述第二表面處驅(qū)動(dòng)與所述正極的陽(yáng)離子的法拉第反應(yīng)的材料形成。

Electrochemical cell with bipolar Faraday membrane

The present invention provides an electrochemical cell, comprising a first solution containing the first phase of the active metal anode, with second liquid containing second active metal phase of the cathode, electrolyte and liquid metal with the first active metal salts and the second active salt. The electrochemical cell also includes a bipolar Faraday film disposed between the negative electrode and the positive electrode, facing the first surface of the negative electrode and facing the second surface of the positive electrode. The bipolar membrane Faraday is configured to allow the first active metal cations through cation and hinder the second active metal from the anode to the cathode, the formation of Faraday reaction and at least in part by the electronic conductivity and the positive pole to drive the cation in the second surface of the material.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】具有雙極性法拉第膜的電化學(xué)電池與相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本專(zhuān)利申請(qǐng)要求2015年2月27日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2/121,597的利益，其公開(kāi)內(nèi)容整體通過(guò)參考并入本文。
本專(zhuān)利技術(shù)涉及用于動(dòng)態(tài)能量?jī)?chǔ)存的伽凡尼電化學(xué)電池，更具體來(lái)說(shuō)涉及以高電流運(yùn)行的這些伽凡尼電池。
技術(shù)介紹
在美國(guó)，發(fā)電依靠各種不同的能源例如化石、核、日光、風(fēng)和水電能源。隨著對(duì)化石燃料供應(yīng)減少的擔(dān)憂，能量供應(yīng)鏈的極大挑戰(zhàn)之一是平衡供應(yīng)與需求。具體來(lái)說(shuō)，管理可再生能源例如風(fēng)能或太陽(yáng)能的固有的間歇性，是使它們能夠被大規(guī)模采用的關(guān)鍵。所述問(wèn)題的一部分在于電能不能以高效且成本效益高的方式儲(chǔ)存。已開(kāi)發(fā)了在合金/脫合金反應(yīng)中使用液體金屬的電化學(xué)電池，但它們通常在約1伏特或更低的低電壓下運(yùn)行。能夠在保持使用低成本材料的同時(shí)獲得更高電壓的電池，將顯著降低這些裝置的成本并進(jìn)一步提高它們的效率。離子選擇性膜已在電化學(xué)電池系統(tǒng)中被用作隔膜。例如，在傳統(tǒng)的斑馬(zebra)(Na/NiCl2)電池組中，可以將離子選擇性Na+傳導(dǎo)性β"-氧化鋁陶瓷膜插入到電極之間，以防止Na與電解質(zhì)的反應(yīng)以及Ni2+在與Na負(fù)極直接接觸后的不可逆的反向反應(yīng)。在充電期間，固體Ni在正極處被氧化成Ni2+離子，而Na+在負(fù)極處被還原成液體Na。理想情況下，離子選擇性膜應(yīng)該盡可能薄，使得它的電阻盡可能低，以便允許最大電流流過(guò)。然而，薄膜難以制造得沒(méi)有針孔，并且薄膜缺乏結(jié)構(gòu)完整性并易于發(fā)生機(jī)械故障。因此，這些類(lèi)型的膜具有操作和制造問(wèn)題。例如，在斑馬(Na/NiCl2)電池組中，β"-氧化鋁陶瓷膜的缺點(diǎn)是：(1)所述膜需要包括許多步驟的復(fù)雜制造工藝、高溫?zé)Y(jié)和受控環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)β"晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；(2)所述膜機(jī)械易損，并且例如由于在反復(fù)融化下的故障而限制了電池組壽命；(3)所述薄的陶瓷膜是易碎的并且在較大規(guī)模下易損性提高；(4)所述膜由于其有限的導(dǎo)電性而要求最低運(yùn)行溫度例如>200℃才能實(shí)用；以及(5)所述膜限于Na+流動(dòng)離子。專(zhuān)利技術(shù)概述在本專(zhuān)利技術(shù)的第一實(shí)施方式中，一種電化學(xué)電池包括兩個(gè)電極，第一電極具有第一活性金屬并且第二電極具有第二活性金屬，金屬或類(lèi)金屬，以及配置在所述第一與第二電極之間的液體電解質(zhì)。所述電解質(zhì)包括所述第一活性金屬的鹽和所述第二活性金屬的鹽。所述電化學(xué)電池還包括配置在所述第一與第二電極之間，具有面朝所述負(fù)極的第一表面和面朝所述正極的第二表面的雙極性法拉第膜。所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成允許所述第一活性金屬的陽(yáng)離子通過(guò)并阻礙所述第二活性金屬的陽(yáng)離子從所述正極轉(zhuǎn)移到所述負(fù)極，并且至少部分由電子電導(dǎo)率足以在所述第二表面處驅(qū)動(dòng)與所述正極的陽(yáng)離子的法拉第反應(yīng)的材料形成。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施方式，一種與外電路交換電能的方法包括提供例如上面所公開(kāi)的電化學(xué)電池，將所述電化學(xué)電池連接到所述外電路，以及運(yùn)行所述外電路以便驅(qū)動(dòng)電子在所述負(fù)極與正極之間的轉(zhuǎn)移。在某些實(shí)施方式中，所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成具有帶正電荷的第一表面和帶負(fù)電荷的第二表面。所述帶正電荷的第一表面與所述帶負(fù)電荷的第二表面可以是被靜電誘導(dǎo)的(electrostaticallyinduced)。所述材料的電子電導(dǎo)率在所述電化學(xué)電池的運(yùn)行溫度下大于或等于10-10S/m。所述雙極性法拉第膜對(duì)于被動(dòng)旁觀離子來(lái)說(shuō)可以是可透過(guò)的。所述雙極性法拉第膜可以是氮化鈦、氮化鋯、二硼化鈦、石墨、石墨烯、金屬和/或類(lèi)金屬。所述雙極性法拉第膜可以是銅、鈦、鐵、鎳、鎢、鉭、鉬和/或硅。所述雙極性法拉第膜可以是鎳-鐵泡沫、銅泡沫、碳泡沫、金屬氈、含金屬纖維、鋼和/或合金。所述雙極性法拉第膜還可以包括燒結(jié)助劑，例如氧化鎂、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅和/或氧化硅。所述雙極性法拉第膜可以是具有絕緣體和導(dǎo)電粒子的電子導(dǎo)電基質(zhì)。所述絕緣體可以是氧化鎂、氧化鋁、氧化硅、氮化鋁、氮化硅、氧氮化硅、聚合物及其組合。所述雙極性法拉第膜可以包括跨過(guò)所述雙極性法拉第膜的電子通路，例如鐵、鋼和/或石墨。所述負(fù)極可以是鈉、鋰、鎂和/或鈣。所述正極可以是鉛、鋅、錫、鉍和/或銻。所述雙極性法拉第膜可以與所述負(fù)極直接接觸。所述電解質(zhì)可以在所述負(fù)極與所述雙極性法拉第膜之間和所述雙極性法拉第膜與所述正極之間。所述電化學(xué)電池可以是Li/PbCl2電化學(xué)電池。所述負(fù)極可以是合金，并且所述電化學(xué)電池可以是LiPb||PbCl2電化學(xué)電池、LiBi||PbCl2電化學(xué)電池、LiPb||SnCl2電化學(xué)電池、LiSn||SnCl2電化學(xué)電池、Li-Pb||PbBr2電化學(xué)電池、Mg-Pb||PbCl2電化學(xué)電池或Mg-Sn||PbCl2電化學(xué)電池。所述負(fù)極可以被包含在電子導(dǎo)電容器中。所述電解質(zhì)可以是LiCl-KCl、LiBr-KBr或LiCl-LiBr-KBr。附圖說(shuō)明通過(guò)與參考附圖相結(jié)合參考下面的詳細(xì)描述，將更容易理解上述實(shí)施方式的特點(diǎn)，在所述附圖中：圖1是豎直剖視圖，示出了符合本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施方式的具有雙極性法拉第膜的電化學(xué)電池。圖2是豎直剖視圖，示出了符合本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施方式的具有雙極性法拉第膜的電化學(xué)電池的另一種構(gòu)造。圖3A-3C是豎直剖視圖，示出了符合本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施方式的具有雙極性法拉第膜的電化學(xué)電池、例如圖2中所示的電化學(xué)電池的充電過(guò)程。圖3A示出了電池放電時(shí)，圖3B示出了電池運(yùn)行并連接到能量源(充電電路)時(shí)，圖3C示出了電池被充滿電時(shí)。圖4A是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式在450℃下運(yùn)行的具有TiN-1-3wt％MgO雙極性法拉第膜的Li/LiCl-KCl/PbCl2置換電池的電池電壓隨時(shí)間變化的圖，圖4B是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，這種電池的庫(kù)侖效率和容量隨循環(huán)指數(shù)變化的圖，比較了庫(kù)侖效率、理論容量、證實(shí)的容量和不含雙極性法拉第膜時(shí)的預(yù)期容量。圖5是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在410℃下運(yùn)行的具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的Li-Pb/LiCl-KCl/PbCl2置換電池的電池電壓隨容量變化的圖。圖6是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在405℃和200mA/cm2的充電電流密度和100mA/cm2的放電電流密度下運(yùn)行的具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的Li-Pb/LiCl-KCl/PbCl2電池的放電容量、能量效率和庫(kù)侖效率隨循環(huán)數(shù)變化的圖。圖7是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在405℃下運(yùn)行的具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的Li-Bi/LiCl-KCl/PbCl2電池的電壓和電流隨時(shí)間變化的圖。圖8是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在400℃和各種不同電流密度下運(yùn)行的具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的LiPb/LiCl-KCl/SnCl2電池的電壓隨容量變化的圖。圖9是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在370-405℃范圍內(nèi)的各種不同運(yùn)行溫度下，具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的Li-Sn/LiCl-KCl/SnCl2電池的電壓隨錫的摩爾％變化的圖。圖10是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在370℃下運(yùn)行的具有含1-2wt％MgO燒結(jié)助劑的電子導(dǎo)電性氮化鈦雙極性法拉第膜的LiPb/LiBr-KBr/PbBr2電池的電壓隨容量變化的圖。圖11是根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，在420℃下運(yùn)行的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電化學(xué)電池，其包含：負(fù)極，其包含具有第一活性金屬的第一液相；與所述負(fù)極隔開(kāi)的正極，其包含具有第二活性金屬的第二液相；液體電解質(zhì)，其配置在所述負(fù)極與正極之間，包含所述第一活性金屬的鹽和所述第二活性金屬的鹽；以及雙極性法拉第膜，其配置在所述負(fù)極與正極之間，具有面朝所述負(fù)極的第一表面和面朝所述正極的第二表面，所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成允許所述第一活性金屬的陽(yáng)離子通過(guò)，并被構(gòu)造成阻礙所述第二活性金屬的陽(yáng)離子從所述正極轉(zhuǎn)移到所述負(fù)極，所述雙極性法拉第膜至少部分由電子電導(dǎo)率足以在所述第二表面處驅(qū)動(dòng)與所述正極的陽(yáng)離子的法拉第反應(yīng)的材料形成。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】2015.02.27 US 62/121,5971.一種電化學(xué)電池，其包含：負(fù)極，其包含具有第一活性金屬的第一液相；與所述負(fù)極隔開(kāi)的正極，其包含具有第二活性金屬的第二液相；液體電解質(zhì)，其配置在所述負(fù)極與正極之間，包含所述第一活性金屬的鹽和所述第二活性金屬的鹽；以及雙極性法拉第膜，其配置在所述負(fù)極與正極之間，具有面朝所述負(fù)極的第一表面和面朝所述正極的第二表面，所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成允許所述第一活性金屬的陽(yáng)離子通過(guò)，并被構(gòu)造成阻礙所述第二活性金屬的陽(yáng)離子從所述正極轉(zhuǎn)移到所述負(fù)極，所述雙極性法拉第膜至少部分由電子電導(dǎo)率足以在所述第二表面處驅(qū)動(dòng)與所述正極的陽(yáng)離子的法拉第反應(yīng)的材料形成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極性法拉第膜被構(gòu)造成具有帶正電荷的第一表面和帶負(fù)電荷的第二表面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述帶正電荷的第一表面與所述帶負(fù)電荷的第二表面是被靜電誘導(dǎo)的。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述材料的電子電導(dǎo)率在所述電化學(xué)電池的運(yùn)行溫度下大于或等于10-10S/m。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極性法拉第膜對(duì)于被動(dòng)旁觀離子來(lái)說(shuō)是可透過(guò)的。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極性法拉第膜選自氮化鈦、氮化鋯、二硼化鈦、石墨、石墨烯、金屬、類(lèi)金屬及其組合。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極性法拉第膜還包含燒結(jié)助劑，其中所述燒結(jié)助劑選自氧化鎂、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、氧氮化硅及其組合。8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極性法拉第膜是包含絕緣體和導(dǎo)電粒子的電子導(dǎo)電基質(zhì)，其中所述絕緣體選自氧化鎂、氧化鋁、氧化硅、氮化鋁、氮化硅、氧氮化硅和/或聚合物。9.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電化學(xué)電池，其中所述雙極...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：尹華意，陳斐，布里斯·霍安尼·瓦朗坦·丁，大內(nèi)孝也，唐納德·羅伯特·薩多維，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：麻省理工學(xué)院，道達(dá)爾新能源活動(dòng)美國(guó)公司，道達(dá)爾股份有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó),US