[发明专利]组合物、储能装置和方法

说明书

本申请是以下申请的分案申请：申请日：2009年8月27日；申请号：200980100173.8(PCT/US2009/055136)；发明名称：“组合物、储能装置和方法”。

背景

技术领域

本发明包括涉及在储能装置中用作阴极材料的组合物的实施方案。本发明包括涉及储能装置的实施方案。

技术阐述

使用钠作为电池组电池的负极，对可再充电电池进行了研究。钠的标准还原电位为-2.71伏特。钠呈相对低重量、无毒、存量丰富且经济可取的氯化钠形式。钠阳极可以液体形式使用，钠的熔点为98摄氏度。离子导电固体电解质(分隔器(separator))将液体钠阳极与正极(阴极)分隔开来。

第二熔融电解质在分隔器的阴极侧来回转运离子。熔融电解质的熔点，以及固体电解质的随温度而变的钠离子电导率，决定了电池组的最低运行温度。阴极应包括可溶于熔融电解质并与充电(氧化)状态中的固体电解质相容的材料。熔融电解质中氧化的阴极材料的低溶解性可导致其余未充电(还原)的电极表面钝化和微孔堵塞。

希望具有不同于现有电化学电池化学性质的电化学电池。希望具有不同于现有装置的储能装置。

简述

根据本发明的实施方案，提供包含阴极材料的组合物，所述阴极材料包含支承结构(support structure)。支承结构包括铜和锌以及小于1%(重量)的铝、锡或铝与锡。

在一个实施方案中，组合物包括阴极材料。阴极材料是黄铜支承结构和锌的反应产物。

在一个实施方案中，储能装置包括具有支承结构的阴极材料。支承结构包括铜和锌以及小于1％(重量)的铝、锡或铝与锡。

在一个实施方案中，储能装置包括具有阴极材料的阴极。阴极材料包括支承结构和活性电极材料(active electrode material)。阴极具有初始态(initial state)和后续态(subsequent state)。支承结构仅包括初始态的α-黄铜，以及同时包括后续态的α-黄铜和γ-黄铜。

在一个实施方案中，储能装置包括具有阴极材料的阴极。阴极材料包括支承结构和有效电极材料。阴极具有初始态和后续态。在初始态中，阴极材料包括分散粒子。分散粒子可以包括锌粒子和铜粒子，任选黄铜粒子。在后续态中，支承结构具有开孔黄铜泡沫(open cell brass foam)。

在一个实施方案中，储能装置包含外壳和分隔器，外壳具有界定体积的内表面；放置在该体积中并具有界定阴极槽的至少一部分的第一表面和界定阳极槽的第二表面的分隔器，阳极槽通过分隔器与阴极槽进行离子互通。具有阴极材料的阴极与分隔器进行离子互通，并放置在阴极槽内；阴极材料包含黄铜支承结构和电极材料。电极材料在储能装置充电模式和放电模式的运行期间进行化学反应。

在一个实施方案中，提供两端电化学存储装置(two-terminal electrochemical storage device)，该装置包括界定阳极体积和阴极体积的部件。将分隔器放置在该部件内阳极与阴极之间以进一步由阴极体积界定阳极体积。分隔器具有有效面积A；该装置可以重复存储和释放一定的充电量Q。两端之间的电阻为R；而且，通过Q的完全等温充电或放电，使RA/Q比的范围保持在约1.5x10^-6ohm-m²/amp-hr至约9.2x10^-6ohm-m²/amp-hr。

根据本发明的一个实施方案，提供储能系统。储能系统包括储能装置，该储能装置包括具有黄铜的阴极材料。

根据本发明的实施方案，提供一种方法，该方法包括在钠电解质存在下由锌粉和铜粉形成黄铜。一方面，电化学电池装有铜和锌，将电化学电池加热，使电化学电池进行至少一次充电/放电循环。

在一个实施方案中，提供将α-黄铜转化成γ-黄铜的方法。在锌和钠电解质或者锌盐和钠电解质存在下将α-黄铜转化成γ-黄铜。

实施方案包括确定储能装置中充电状态的方法。可通过以下方法进行测定：将储能装置的ZnCl₂浓度与开路电压相关联；使ZnCl₂浓度电压与充电状态相关联；测量开路电压；根据开路电压测量值，以及所测开路电压相应的ZnCl₂浓度和相应ZnCl₂浓度的充电状态确定充电状态。