[发明专利]用于碱性可充电电池的镍氢氧化物正极

说明书

用于碱性可充电电化学电池的镍氢氧化物阴极活性材料，该活性材料能够传递每Ni原子1.67个电子。用于碱性可充电电化学电池的镍氢氧化物阴极活性材料，其中该材料的比容量例如为≥330mAh/g。用于碱性可充电电化学电池的镍氢氧化物阴极活性材料，其中Ni在碱性可充电电池的充电/放电循环过程中达到小于⁺2的氧化态。

本发明涉及用于碱性可充电电池的正极的优化镍氢氧化物活性材料。

政府资助声明

在Advanced Research Projects Agency-Energy依据DE-AR0000386给予的政府资助下作出本发明。政府对本发明享有某些权利。

发明背景

镍金属氢化物(NiMH)电池(batteries)(电池(cells))使用能够可逆电化学储氢的负极(阳极)。NiMH电池通常使用包含镍氢氧化物活性材料的正极(阴极)。负极和正极在水性碱性电解质中间隔开。在施加跨电池的电位时，来自电解质的氢离子与电子合并并扩散到储氢合金的本体中以形成金属氢化物。在放电时，储存的氢作为质子和电子从该金属氢化物中释放。由质子和电解质中的羟基离子重新形成水。

NiMH电池用于多种多样的最终用途，例如用于便携式消费产品，如数码相机、手机等、电动和混合动力车辆用途和工业备用用途。

在氢氧化镍正极处发生的充电和放电反应是：

镍氢氧化物在充电时氧化成羟基氧化镍；在放电时，羟基氧化镍还原回氢氧化镍。

镍镉(NiCd)电池也使用包含镍氢氧化物活性材料的正极。其它类型的镍基电池包括镍氢、镍锌和镍铁。

已知阴极处的电化学反应涉及一个电子在Ni(OH)₂的稳定Ni²⁺β相和NiOOH的Ni³⁺β相之间的传递。基于此的镍氢氧化物活性材料的理论比容量是289mAh/g。

基于每Ni原子传递多于一个电子带来更高比容量。例如在美国专利Nos.5,348,822、5,569,563、5,567,549和6,228,535中提到能够传递多于一个电子的镍氢氧化物材料。在这些现有技术中，基于每Ni原子的多于一个的电子传递可能涉及高度氧化的γNiOOH相。

发明概述

令人惊讶地，现在已经发现，某些镍氢氧化物活性阴极材料能在可逆电化学条件下传递1.3个电子，基于每Ni原子。本发明镍氢氧化物活性材料的比容量例如为≥325mAh/g。本发明的阴极活性材料表现出接近0.8V的额外放电平台vs.MH阳极。

提出在使用本发明阴极活性材料时氧化态小于2的Ni，如Ni¹⁺能够参与电化学反应。因此，在电化学条件下可以传递多达2.3个电子、多达2.5个电子或更多，基于每Ni原子。

详细公开

正极的活性材料参与电化学电池的充电/放电反应。活性材料通常是改性的氢氧化镍。改性的氢氧化镍可含有选自Co、Cd、Ag、V、Sb、Ca、Mg、Al、Bi、Cr、Cu、Fe、In、稀土元素、Mn、Ru、Sn、Ti、Ba、Si、Sr和Zn的一种或多种改性剂，例如如美国专利No.6,228,535中教导的。在本公开中，术语“阴极活性材料”、“镍氢氧化物活性材料”、“镍氢氧化物材料”、“活性材料”、“材料”等可互换并且都是指改性的氢氧化镍。在改性的氢氧化镍中，镍通常以≥其它金属的总和的原子百分比存在。