[发明专利]中温钠金属-卤化物储能装置

说明书

优先权

本发明要求2012年2月1日提交的标题为Energy Storage Device Having Sodium的美国临时专利申请61/593,499的优先权和2013年1月29日提交的标题为Intermediate Temperature Sodium Metal-Halide Energy Storage Devices的第13/752,936号美国专利申请的优先权。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是在由美国能源部颁发的DE-AC0576RLO1830协议下由政府支持获得。该政府对本发明享有一定权利。

背景

在多种Zebra电池(即钠金属氯化物电池)中，受到最广泛地研究的类型是基于含镍的化学，该类型通常用β-氧化铝固体电解质(BASE)管以管状形式制造。阴极材料通常由电化学活性成分(例如，处于放电状态的镍和氯化钠)和熔融盐二次电解质(或阴极电解质)(如NaAlCl₄)组成，所述熔融盐二次电解质保证了钠离子在所述BASE和活性阴极材料之间方便地运输。在某些情况下，还向所述阴极中加入少量的添加剂，如NaF、FeS和Al，以使由过度充电滥用、镍的晶粒生长和在放电结束时突然的极化下降所引起的电池性能劣化最小化。

为了通过降低BASE的欧姆电阻和通过改善所述二次电解质的离子电导率而实现足够的电池性能，ZEBRA电池通常在相对高的温度(250～350℃)下操作，所述温度远高于所述液体电解质(NaAlCl₄:Tm＝157℃)的熔点。然而，在阴极中发生的颗粒生长和副反应在高的操作温度下也得到增强并且能导致性能和/或寿命的劣化。因此，需要在较低温度下操作的、改进的ZEBRA储能装置。

概述

本文描述了能在低于传统ZEBRA电池的操作温度下操作的、同时维持所需性能和寿命特征的钠金属-卤化物储能装置。由本文中描述的实施方案所表现出的下降的操作温度还可允许使用较低成本的结构材料和高产量的制造方法。

根据一个实施方案，钠金属-卤化物储能装置在小于或等于200℃的中温下操作并具有包含M_xNa_1-yAlCl_4-yH_y的液体二次电解质，其中，M为代盐剂(substituting salt)的金属阳离子，H为代盐剂的阴离子，y为被替代的Na和Cl的摩尔分数，且x为y与r之比，其中r为M的氧化态。所述代盐剂的熔融温度小于NaCl的熔融温度。

所述代盐剂的实例可包括但不限于NaBr、LiCl、LiBr、NaI、LiI、KBr、KCl、KI、CsBr和CsI。优选地，所述代盐剂包括但不限于NaBr、LiCl或LiBr。在一些实施方案中，被替代的Na和Cl的摩尔分数小于0.85。在其他实施方案中，被替代的Na和Cl的摩尔分数小于或等于0.75。

本文中描述的储能装置还可包含阴极室和阳极室。所述阴极室、阳极室或两者可具有包含聚合物材料的密封件(seal)。初级电解质的实例可包括但不限于β-氧化铝固体电解质(BASE)或钠超离子导体(NaSICON)。

前述概述的目的是使美国专利商标局和公众、特别是本领域中不熟悉专利或法律术语或用语的科学家、工程师和从业者能够通过粗略的阅览来快速确定本申请的技术公开内容的性质和本质。该概述既不意在限定本申请的发明(其由权利要求界定)，也不意在以任何方式限制本发明的范围。

本发明的各种优点和新的特征在本文中进行描述并且将由以下详细描述而对本领域技术人员而言更加显而易见。在先前和之后的描述中，已示出并描述了各种实施方案，包括优选的实施方案。本文包括对旨在实施本发明所提出的最佳实施方式的描述。应意识到的是，本发明能够在不背离本发明的情况下在各个方面进行修改。因此，在下文中阐述的优选实施方案的附图和说明实际上应被视为示例性的而非限制性的。

附图说明

下面参考以下附图对本发明的实施方案进行描述。

图1为绘出NaAlCl₄二次电解质的熔融温度随替代NaCl的代盐剂的摩尔分数变化的图。

图2A和2B为绘出各种二次电解质的离子电导率的图。

图3包括根据本发明的实施方案，在190℃下测量的NaAlCl₄的循环伏安曲线，所述NaAlCl₄具有50mol％被替代的二次电解质。