[发明专利]钠离子为主的水相电解质电化学二次能源储存装置

说明书

相关申请案的交叉引用

本申请案主张以下美国临时专利申请案的优先权：2008年4月7日申请的第61/123,230号、2008年6月13日申请的第61/129,257号和2009年2月20日申请的第61/154，156号，这些申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及水相电解质电化学二次能源储存装置和其中所用材料。

背景技术

小型可再生能量收集和发电技术(例如太阳能电池阵列、风力机、微型斯特林发动机(micro sterling engine)和固体氧化物燃料电池)正处于高速发展中，且对于中等规模的二次(可再充电)能源储存能力存在相当强的需求。用于这些固定应用的电池通常储存1kWh至50kWh的能量(视应用而定)且在历史上是基于铅酸(Pb-酸)化学物质。深循环式铅酸电池组是组装于分布式发电点且己知可维持1年至10年，视典型工作循环而定。虽然这些电池运作良好足以支持这一应用，但存在大量与其使用相关的问题，包括：导致环境不清洁的铅和酸的大量使用(据估计，仅在美国，铅酸技术导致每年有超过100,000吨的铅释放到环境中)；如果保持在中等充电状态或日常循环至深度放电水平，则性能显著降低；需要日常维护以维持性能；和实施必需的再循环程序。强烈需要替换如汽车工业所使用的铅酸化学物质。遗憾的是，替代性电池化学物质的经济因素使得其成为迄今毫无吸引力的选项。

无论电池技术的所有最新进展如何，仍未找到铅酸化学物质的廉价、清洁替代物。这大部分是归因于铅酸电池比其它化学物质明显便宜(＜$200/kWh)，且目前集中于开发用于运输应用的更高能源系统(其本质上比铅酸电池显著更昂贵)。

发明内容

本发明实施例提供一种混合式水相二次能源储存装置，其包含阳极电极、能够使钠阳离子可逆性嵌入的阴极电极、隔板和含有钠阳离子的水相电解质，其中初始活性阴极电极材料包含在所述装置的初始充电期间使碱金属离子脱嵌的含碱金属的活性阴极电极材料。

其它实施例提供一种操作混合式水相能源储存装置的方法，所述装置包含阳极电极、阴极电极、隔板和含钠水相电解质，所述方法包含：在所述装置的初始充电期间使碱金属离子自活性阴极电极材料中脱嵌；在放电循环期间使钠离子可逆性嵌入活性阴极电极材料内；和在随后的充电循环期间使钠离子自活性阴极电极中脱嵌。

如本文中所使用，术语电负性是用于描述原子将共价键中的电子吸向其自身的能力。可使用数种不同标度来描述电负性。除非另有说明，否则本文中所指示的电负性值是根据鲍林标度(Pauling scale)。

如本文中所使用，术语法拉第反应(faradaic reaction)表示引起相关物质的氧化或还原的反应。举例来说，在本发明实施例中，当钠阳离子嵌入活性阴极材料内时，活性阴极材料必须经还原(即，电子必须转移至活性阴极材料)以便保持主体材料的电中性。相反，非法拉第过程涉及电荷积聚于电极/溶液界面的表面处，从而形成电双层。

如本文中所使用，术语二次能源储存装置与术语二次电池可互换使用。

附图说明

图1展示本发明实施例的混合式能源储存装置所用的一种可能的充电/放电机制的图解。

图2展示根据本发明实施例的二次能源储存装置的示意图。

图3展示由根据实例1中所述的方法合成的尖晶石结构Li_1.05Mn_1.89Al_0.06O₄获得的X-射线衍射图。

图4展示Li自如实例1所述的尖晶石Li_1.05Mn_1.89Al_0.06O₄中脱嵌后，由尖晶石结构Mn_1.89Al_0.06O₄(掺Al的λ-MnO₂)获得的X-射线衍射图。

图5A和图5B展示图3与图4的X-射线衍射图存在一部分重叠。

图6展示在10个调节循环后获得的关于Na₂SO₄水相电解质中的脱锂化掺铝λ-MnO₂活性阴极材料的三个连续循环的伏安图的数据。

图7展示Na₂SO₄水相电解质中的活性碳阳极材料的循环伏安图数据。未观测到不同的还原-氧化峰。