[发明专利]具有与有机液体电解质相接合的无枝状晶负极的碱金属电池组

说明书

可再充电电池组电池具有与无枝状晶碱金属负极接触的有机‑液体电解质。碱金属负极在操作温度下可以是液体，其通过吸收至多孔膜中而被固定。碱金属负极可以是润湿多孔膜分隔件的固体，其中固体碱金属负极和液体电解质之间的接触在多孔膜分隔件中的微孔或纳米孔处。在具有多孔纤维素基分隔件膜的对称电池中，对无枝状晶的固体锂电池的使用进行了说明。通过使用具有或玻璃‑纤维分隔件的有机‑液体电解质，对具有被固定在多孔碳膜中的液体K‑Na合金负极的K⁺离子可再充电电池进行了说明。

政府迕可声明

本发明是在能源部授予的授权号DE-SC0005397和授权号DE-AR0000297的条件下由政府支持而完成的。政府拥有本发明的某些权利。

优先权要求

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2016年3月18日提交的标题为“ALKALI-METALBATTERIES WITH A DENDRITE-FREE ANODE INTERFACING AN ORGANIC LIQUIDELECTROLYTE”，序列号为62/310,157的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开大致涉及电化学能量存储，并且更具体地，涉及具有与有机液体电解质相接合(interfacing)的无枝状晶(dendrite-free)负极的碱金属电池组(battery)。

背景技术

可再充电(二次)锂离子电池组被广泛用于诸如手机和便携式计算机的消费电子设备中，这部分归因于它们的高能量密度。可再充电锂离子电池组也可用于功率密集型应用设备中，例如电动车辆和动力工具。可再充电锂离子电池组的其他用途，例如用在能量网格存储(energy grid storage)中，是可能的。

尽管具有其他碱金属离子(例如钠和钾)的可再充电电池组不太普及，但它们可用于许多与锂离子电池组相同的应用设备中。

可再充电电池组将电能作为化学能存储在两个电极中，负极和正极中，该两个电极通过电解质在电池内部彼此隔开，而如果电解质是液体，则通过分隔件(separator)彼此隔开。该分隔件在与电极接触时可以是化学惰性的，并且分隔件对液体电解质是可渗透的。在两个电极之间发生的化学反应具有两个成分，离子成分和电子成分。电解质为离子导体，但为电子绝缘体。因此，化学反应的离子成分在电池组内部作为离子电流在电解质中流动，而电子成分在电池组外部作为电子电流在外部电路中流动。可通过断开电子电路来停止电子电流，并且可通过由正极上的正电荷和负极上的负电荷所产生的内部电场在开路处停止离子电流。

当电池组放电时，带正电的离子在电池组内部流动，而带负电的电子在电池组外部从负极流动至正极，在正极处进行再结合以完成电极之间的化学反应。在放电时，电池组以电压V向外部电子电路输送电流I达时间Δt，直到电极之间的化学反应完成为止；因此，电池组将电极所存储的化学能转换成电功率P＝IV。当可再充电电池组电池(cell)充电时，外部电源以充电电压来提供充电电流，该充电电压逆转离子和电子电流流动，并因此逆转化学反应以将施加的电功率存储为化学能。

在充电时，来自液体电解质作为负极的碱金属的电镀(plating)是不光滑的；枝状晶从碱金属表面形成并生长。该枝状晶可生长穿过电解质而达到正极，并可产生内部电子短路，该内部电子短路会加热电池组电池，并且和可燃电解质一起可能会产生火灾。因此，在现今的锂离子电池组电池中，负极通常为碳，其以电压(接近由金属锂所产生的电压)来存储Li⁺离子。然而，如果充电速率太高，则充电电压可能变得足够高以在碳上电镀金属锂，并且可能导致枝状晶的形成。