碳納米管鋰金屬粉末電池制造技術

本文公開了一種高能鋰電池體系。這種體系包含碳納米管和／或其他用于陽極和陰極的納米管狀材料。陽極使用金屬鋰粉鋰化。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及儲能裝置。具體地說，本專利技術涉及具有兩個由碳納米 管(CNT)材料構成的活性電極的鋰離子電池，其中金屬鋰粉分散在陽 極CNT材料中。
技術介紹
未來消費者和軍用的便攜式能量需求將需要鋰電池技術提供更 大比能量和比功率。可以預期的是為了滿足將來的能量需求，將需要 鋰電池展現大于400Wh/kg的持續比能量且在100Wh/kg下具有大于 2kW/kg的脈沖功率容量。另外，將需要這種體系在廣泛溫度范圍(-20 。C到90。C)內有效操作且能夠快速再充電。這些需求不能由常規電池 或通過外推常規體系的能力得到滿足。眾所周知，常規鋰離子電極材 料易受物理化學約束，這限制了這些材料的鋰儲存能力。常規工業用鋰離子電池技術依靠鋰化金屬氧化物用于正極(陰極) 且(各種形式的)石友作為負極(陽極)。鋰離子電池在所有鋰均處于陰極 且充電時開始壽命損耗， 一定百分數的這種鋰移動到陽極且嵌入^灰陽 極中。當充電過程完成時，電池的開路電壓為約4.2V。約1.15V的這 種電池電壓歸因于金屬氧化物電極的正電位。這兩種材料化學性質的 不同確保了高開路電位。然而，可以想得到使用具有類似化學的材料 會影響類似結果。在二十世紀八十年代，由Lazzari和Scrosati提出"搖 椅概念(rocking chair concept)"(即，使用兩種基于金屬氧化物或石危化物的插入化合物)(M. Lazzari和B. Scrosati, 5/e"rac/2ew. Soc.,簡訊, 1980年3月，它的全部教導內容都通過引用結合到本文中來)。描述 了一種在1.8V平均電壓下工作的LixW02/LiyTiS2電池。雖然這種體 系能夠解決金屬鋰陽極的問題，但它不能提供使它成為現有可再充電 體系的可行選擇所需的實用能量密度。在這個初步報告之后，發現某 些類型的碳能可逆地嵌入鋰，工作人員改變使用兩種金屬氧化物電極 的立場。大多數石墨碳提供化學計量的LiC6(375mAh/g),而無序-友通 常為LixC6(x>l)(400mAh/g)。與鋰化碳相比，金屬鋰陽極的理論容量 大于3000mAh/g且實際容量為965mAh/g (Linden, D.和Reddy, T.B., Handbook of Batteries,第3版，p34.8, McGraw-Hill, NY, 2001 ，它的 全部教導內容都通過引用結合到本文中來)。碳納米管作為可能的電極材料已引起注意。碳納米管經常以緊密 同心多層殼即多壁納米管(MWNT)形式存在。納米管還可形成為單壁 納米管(SWNT)形式。SWNT形成管束，這些管束具有緊密堆積的二 維三角形晶格結構。MWNT和SWNT都已形成，這些材料的比容量 已通過蒸氣轉移反應評估。參見，例如O. Zhou等，Defects in Carbon Nanotubes(碳納米管的缺陷)，Sc/e"ce: 263,第1744-47頁，1994; R. S. Lee等，Conductivity Enhancement in Single-Walled Nanotube Bundles Doped with K and Br(摻K和Br的單壁^灰納米管束導電性的增加), 淑歸:388,笫257-59頁，1997; A. M. Rao等，Raman Scattering Study of Charge Transfer in Doped Carbon Nanotube Bundles(摻雜碳纟內米管束 中電子轉移的拉曼散射研究)，A^wre: 388, 2"-59， W97;和C. Bower 等，Synthesis and Structure of Pristine and Cesium Intercalated Single-Walled Carbon Nanotubes(嵌有Pristine和銫的單壁碳納米管的 合成及結果),Zp/^'ed尸/^/cs: A67,第47-52頁，1998年春，它們的全 部教導內容都通過引用結合到本文中來。據"^艮道這些納米管材料的最 高石成金屬飽和值(alkali metal saturation value)為MC8(M = K、 Rb、 Cs)。 這些值并不表示較現有工業用通行材料如石墨有顯著提高。最新實驗結果表明可對單壁碳納米管中充至最高可達Li!C3和更高。實驗上已確定原料的容量超過600mAh/g。這些容量開始接近純鋰的容量，但 避免了對鋰安全性的擔憂。另外，像介晶相碳微珠(MCMB)—樣，將 鋰可逆地嵌入，因此^f灰納米管形成優于作為陽極材料的MCMB的驚 人改進。顯而易見，碳納米管提供高能電池的新前景且可提供迄今用 常規電極材料難以實現的嶄新電池設計的新機遇。在科學和專利文獻中已報道鋰化碳納米管(CNT)為鋰電池的高 能非金屬陽極物質。具體地說，美國專利第6,280,697號、第6,422,450 號和第6,514,395號(它們的全部內容通過引用結合到本文中來)詳細 描述了制備激光產生的碳納米管的方法和它們的鋰化。然而，現有技 術沒有包括使用金屬鋰粉/CNT陽極和CNT陰極形成高能電池的概 念。專利技術概述本專利技術涉及一種高能鋰電池體系。根據本專利技術的 一些實施方案， 提供一種電池，所述電池包括與陰極電連接的陽極、分隔陽極與陰極 的隔板和在陽極與陰極之間電連接的部件，其中陰極和陽極包括 CNT,陽極被金屬鋰粉鋰化且任選陰極被金屬鋰粉鋰化。在一些實施方案中，CNT電極可為單壁、多壁、納米角、納米 鈴鐺(nanobell)、豆莢、巴克球等形式，或納米結構碳材料的其他俗稱 或它們的任何組合。本領域的技術人員在考慮以下描述本專利技術的優選和供選的實施 方案的詳細說明和附圖的情況下，本專利技術的這些和其他特征將變得更 加易于理解。附圖簡述本專利技術在結合附圖進行理解時可更加易于確定以下專利技術說明書， 其中附圖說明圖1為本專利技術一個實施方案的示意圖2為描繪本專利技術 一個實施方案的半電池放電試驗的曲線圖3為本專利技術一個實施方案的循環試驗的曲線圖4為描繪本專利技術一個實施方案的循環試驗的曲線圖5為描繪圖4中所說明的實施方案的其他循環的曲線圖6為描繪本專利技術一個實施方案的循環試驗的曲線圖7為描繪圖6中所說明的實施方案的其他循環試驗的曲線圖8為比較本專利技術的實施方案與現有技術材料的曲線圖。專利技術詳述本專利技術提供一種電池，所述電池包括與陰極電連接的陽極、分隔 陽極與陰極的隔板和在陽極與陰極之間電連接的部件，其中陰極和陽 極包括CNT，陽極被金屬鋰粉鋰化且任選陰極被金屬鋰粉鋰化。應當理解的是，對于本專利技術的目的來說，術語"電池"可指并包括 單個電化學電池即單電池和/或如本領域的技術人員所知的一個或多 個串聯和/或并聯的電化學電池。此外，術語"電池"包括但不限于可再 充電電池和/或二次電池和/或電化學電池。根據本專利技術實施方案的電池可包括正極(陰極)和負極(陽極)，其 中兩個電極都包括能夠在電化學體系中吸附并脫附鋰的碳納米管 (CNT)材料且其中金屬鋰粉分散在陽極CNT中和任選的陰極CNT中； 分隔陰極與陽極的隔板和使陰極與陽極連4^的電解質。圖1說明本專利技術的一個實施方案。所描繪的電池體系1包括陽極 3、陰極5、隔板7和用于促進陽本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電池，所述電池包括與陰極電連接的陽極、分隔所述陽極與所述陰極的隔板、在所述陽極與所述陰極之間電連接的部件，其中所述陽極和所述陰極為碳納米管且所述陽極為被金屬鋰粉鋰化的碳納米管。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：RS莫里斯，
申請(專利權)人：FMC公司—鋰部，
類型：發明
國別省市：US[美國]