[发明专利]具有开放框架结构的高倍率、长循环寿命电池电极材料

说明书

相关申请的交叉引用

该申请要求分别在2011年6月22日和2011年8月31日提交的美国临时申请号61/499,877和61/529,766的权益，和美国申请号13/482,793和13/482,796的权益，两者都在2012年5月29日提交，它们的公开内容在此通过引用以其整体并入。

技术领域

本发明一般地涉及电池，并且更具体地涉及用于水性电解液电池的电极材料。

背景技术

在很大程度上，最近对电池技术的研究和开发已经涉及在各种形式的锂离子系统上的工作，并已经集中于小规模至中规模的应用，诸如便携式电子设备和交通工具推进。尽管有昂贵的短暂停用期、对于频率调整快速成长的需要和对于与间歇能源诸如太阳和风的整合相应的负载平衡的必要性，但与大规模电力输电网相关的能量存储问题不怎么被关注。这些输电网规模的能量存储应用要求高耐久性(例如，长循环寿命)、高的短期功率输出(例如，高倍率)和低成本，而不是强调能量密度和比能的大数值。

目前满足短期、高功率要求的解决方案包括传统的铅酸电池和某些高级电池技术。然而，铅酸电池具有不足的循环寿命并通常不能承受深放电。认为具有优异的循环寿命的常见的金属氢化物/镍电池对于大规模使用太贵，钠/硫和锂离子系统同样如此。另外，这些电池技术通常显示了显著的电压滞后量，并因此当以高倍率操作时具有降低的往返能量效率。

针对该背景技术，产生了开发本文描述的电池电极材料以及相关方法和系统的需要。

发明内容

本发明的实施方式涉及显示了极度耐久性和高倍率性能的一类开放框架电池电极材料。在一些实施方式中，电池电极材料为具有相对刚硬的框架结构的沸石混合导电离子化合物，来自电解液的水合阳离子可快速和可逆地插入该结构中。该类材料的多个成员可利用自发沉淀方法以低成本前体廉价地合成，并且该合成对于输电网规模能量存储应用以及其他应用可容易放大。

在如下描述的一个实施方式中，将钠或钾离子插入六氰基铁酸镍电极产生非常小的晶格应变，并且这样的电极可以可逆地在数千个深放电周期以高电流密度运行。在低至中等充电和放电倍率下，往返能量效率非常高，诸如超过大约99.7%，和大于大约66%的低倍率放电容量在非常高的42C倍率下仍然可用。

在如下描述的另一个实施方式中，六氰基铁酸铜电极可在非常高倍率下，在安全和廉价的水性电解液中，以优异的容量保留率在非常多的周期中操作。在以17C倍率下的40,000个深放电周期(每周期3.5秒)后，大约83%的初始容量仍然可用。甚至在83C的更极大循环倍率下，保留了它的最大放电容量的大约三分之二。在更适度的电流密度下，可实现大约99%(或更多)的往返能量效率。可利用高度可放大的(scalable)室温本体(bulk)沉淀方法合成六氰基铁酸铜。它的极度耐久性、高倍率性能、安全操作和廉价的生产使该材料成为用于输电网规模能量存储的期望的电池电极材料。

在如下描述的另一实施方式中，电池包括：(1)阴极；(2)阳极；和(3)水性电解液，其布置在阴极和阳极之间并包括阳离子A。阴极和阳极中的至少一个包括具有开放框架晶体结构的电极材料，阳离子A在电池操作期间可逆地插入该结构。该电池当以参比倍率循环时具有参比比容量，和当电池以10倍参比倍率循环时保留至少75%的参比比容量。

在如下描述的进一步实施方式中，电池包括：(1)包括阴极材料的阴极；(2)包括阳极材料的阳极；和(3)水性电解液，其布置在阴极和阳极之间并包括阳离子A和不同的阳离子A’。在电池操作期间，阳离子A可逆地插入阴极材料，和阳离子A’可逆地插入阳极材料。

也考虑本发明的其他方面和实施方式，包括涉及制造和操作本文描述的电池的方法的方面和实施方式。上述发明内容和以下的详细描述不表示将本发明限于任何具体的实施方式，仅表示描述本发明的一些实施方式。

附图说明

为了更好地理解本发明的一些实施方式的属性和目的，应参考结合附图得到的以下详细描述。

图1图解了根据本发明实施方式的普鲁士蓝晶体结构的晶胞。

图2图解了根据本发明实施方式完成的电池。

图3图解了根据本发明实施方式的六氰基铁酸铜的晶胞，其具有普鲁士蓝晶体结构。