[发明专利]具有置换盐电极的高电流强度电池组

说明书

相关申请的交互参考

本专利申请要求2013年3月14日提交的美国临时专利申请No.61/781,500的权益，所述临时专利申请的公开内容在此以其全部内容引为参考。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明根据ARPA-E授予的DE-AR0000047在政府支持下完成。美国政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及用于动态储存能量的电化学原电池，并更具体地涉及在强电流下运行的这些原电池。

发明背景

美国的电能产生依靠各种各样的能源，例如化石、核、太阳、风和水电能源。在化石燃料供应逐渐减少的顾虑下，能源供应链的一个重大挑战是供求平衡。特别是，管理可再生能源例如风或太阳能的固有间歇性是使它们能够大规模采用的关键。所述问题的一部分是不能以有效率的和成本有效的方式储存电能。已经开发出在合金化/去合金化反应中使用液态金属的电化学电池，但通常在约1伏或更小的低电压下运行。使电池能够电压较高同时保持使用低成本材料将显著降低这些装置的成本和进一步改善它们的效率。

发明内容

提供了利用低成本电极和电解质的原电池，其运行依靠将所述电解质中的盐经充电后从阳极金属型的盐电化学置换为阴极金属型或类金属的盐，和经放电后反之。这些电池，本文中称为活性金属离子电池或活性金属离子储能电池，可用固或液相的金属和盐运行。这些电池在高电压下传递和储存能量并能够维持高电流密度，超过对以前的合金化/去合金化电池所预期的典型电压/功率的两倍。通过进入化学能较高的反应，活性金属离子电池可从较广泛的一系列成本有效的金属、类金属和盐组装，扩大了候选电极的选择，并可能使运行温度能够较低。另外，所宣称的较高电压使得单元电池(cells)数量较少的较简单系统组件能够形成适合用在电网上并且功率输出与电压较低的合金化/去合金化基电池组(batteries)相同的电池组。

在本发明的第一种实施方式中，提供了具有两种活性金属的电化学活性金属离子电池，第一相具有第一活性金属，第二相具有第二活性金属、金属或类金属，和在所述第一和第二相之间的第三相，具有所述第一活性金属的盐和所述第二活性金属或类金属的盐。所述第一相，限定阳极，具有活性金属例如碱或碱土金属，以其元素金属形式(例如Li)或寄身于合金相(例如Li-Mg)，并与所述第三相在它的两个交界面之一处接触。所述第二相，限定阴极，具有所述其他活性金属或类金属，以其元素、金属形式、或其合金例如锑和铅Sb-Pb。所述第二相与第一相分离并与第三相在它的两个交界面的第二个处接触。所述第一、第二和第三相可以是固体(在运行中，如果这样设计的话，或在电池的制造或运输或维修期间)，液体(通常在运行中)，或以固或液态的组合。所述阳极金属相对于所述阴极盐以迥异的化学势存在，在所述第一和第二相之间引起电压。

在另一种实施方式中，所述电化学活性金属离子电池处于放电状态，并可以在电解质中包含少量所述第二活性金属或类金属的盐，例如在使用之前。

在一些实施方式中，所述第一相包含元素周期表的IA、IIA、IIIA、IVA和IIB族中任何一族的金属或其合金。在一些实施方式中，这种金属选自锂、钠、钾、钡、钙、镁、锶、铝、硅和/或锌。

在一些实施方式中，所述第二相包含元素周期表的IB、IIB、VIIIB、IIIA、IVA、VA和VIA族中任何一族的金属或类金属。在一些实施方式中，这种金属选自铁、镍、铜、铁、铝、硅、锌、镉、汞、铅、锑、铋、和/或其合金。在一些实施方式中，这种金属是铅和锑的合金。在其他实施方式中，所述合金在铋中包含20摩尔％铅。

在一些实施方式中，所述电解质，或第三相，包含卤化物盐或其混合物，例如选自氟化物、氯化物、溴化物和/或碘化物。在一些实施方式中，所述电解质还可以包含所述第一活性金属和第二活性金属的盐，其可以选自一、二、或更多种盐，例如卤化物、硫酸盐、碳酸盐和/或硝酸盐。在一些实施方式中，所述电解质还可以包含无活性金属的盐，例如四氯化铝、氯化镁、卤化钾和其他的盐组合。添加无活性盐可以有利地降低第三相的熔融温度和/或引入混溶间隙，所述混溶间隙可诱导所述第三相相分离成高度集中所述第一种金属盐的第一层和高度集中所述第二种金属盐的第二层。