[发明专利]Na‑FeCl2ZEBRA型电池

说明书

交叉引用相关申请

本申请要求2014年8月14日提交的，申请号14/460,266的美国专利申请的优先权，该优先权申请在此通过引用全部并入本申请。

致谢政府的支持

本发明是在合同57558的政府支持下做出的，该合同由美国能源部授予。政府对本发明具有一定的权利。

背景技术

电化学电池单元是已知的(称为“ZEBRA”电池单元)，该类电池单元包括：熔融的碱金属阳极；电绝缘的固体分离器，该分离器的功能如同碱金属离子导电的固体电解质；阴极隔室中的盐电解质(这里称为“阴极电解质”)，该盐电解质在电池单元的工作温度下至少部分熔融；和阴极。这种类型的电化学电池单元特别是在多个电池单元被布置成一个模块或电池组时被作为储能装置使用。

常用的电池单元采用NiCl₂作为阴极的活性材料。然而，Ni很昂贵，并且这种电池单元具有较高的操作温度(～350℃)。现在也提出了使用FeCl₂作为阴极中的活性材料，但它还没有被考虑商业化，因为在电池单元制造的原料处理上存在技术障碍。例如，Na/NiCl₂电池可以在放电状态下组装，这只需处理NaCl和Ni粉即可。然而，Na/FeCl₂电池需要在充电状态下组装，这意味着处理高自燃性的Na金属和FeCl₂。另外，用于制造阴极的FeCl₂是通过在氯环境下氯化Fe粉得到的。使用氯化的FeCl₂的一个主要原因是，Fe粉的表面电化学活性由钝化层(例如，各种铁氧化物和氢氧化物物质)所阻碍。

发明内容

本发明公开了一种储能装置，包括阴极，该阴极包括：

(i)Fe源；

(ii)至少一种含硫物质；

和(iii)NaCl；

其中基于(i)、(ii)和(iii)的总摩尔数，S的摩尔百分数小于10。

本发明还公开了一种方法，该方法包括在放电状态下组装电化学电池单元，该方法包括：

将(i)Fe源，(ii)(a)元素硫和硫剂或(ii)(b)多硫化物，和(iii)NaCl一起混合；

将所得的混合物成型成用于电化学电池单元的阴极；

将阴极电解质引入到阴极中；和

将阳极和电解质组分与阴极耦合。

本发明进一步公开了一种方法，包括：由(i)Fe源、(ii)(a)元素硫和硫剂或(b)多硫化物、和(iii)NaCl成型阴极组合物，其中基于(i)、(ii)和(iii)的总摩尔数，S的摩尔百分数小于10。

结合下面的详细描述并参考附图，前述的内容将会更加清楚明白。

附图说明

图1是一个可再充电熔融碱金属电池的示意图。

图2(a)-(c)是曲线图，该曲线图展示了在阴极组合物中加入了不同硫剂的电池的活化过程(初次循环)。

图3(a)-(c)表现了电池性能。

具体实施方式

本发明公开了一种用于可再充电的熔融碱金属电池的电化学电池单元(如图1所示)，包括阴极2、阳极3和β-氧化铝固体电解质4，该电解质分隔阳极3和阴极2。阴极2通常由多孔材料制成，阴极电解质被引入或渗入其中。正集流体5与阴极2电接触，负集流体6与阳极3电接触。

本发明公开的是可以在熔融碱金属电池的阴极中使用铁(Fe)盐的技术。在放电状态下组装熔融碱金属电池并使用FeCl₂作为活性电化学组分，需要除去Fe粉颗粒表面上的钝化层。然而，除去钝化层必须不对电化学电池单元的电化学产生干扰。已经发现，利用至少一种含硫物质作为阴极组装混合物的组分，可以除去至少一部分的钝化层，优选基本上全部的钝化层，并使Fe粉颗粒表面显著活化，并使电池的工作温度低至190℃。例如，本发明公开的Na/FeCl₂电池(2.35V)可在约190℃的温度下工作，并具有传统的在320℃下工作的Na/NiCl₂电池(2.8V)的90％的能量密度。较低的工作温度也提供了将聚合物结构的材料用于电池和密封件的机会。在含Fe的阴极组装混合物中加入少量的至少一种含硫物质也使得可以在“冷”(即，放电)状态下制备电池单元，这降低了成本(比起在商用的NiCl₂ZEBRA电池中使用的Ni，Fe的成本更低)，并提高了组装的安全性。