相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2015年1月28日提交的美國實用專利申請第14/607,429號的權(quán)益，該申請是2014年11月12日提交的美國實用專利申請第14/539,448號的部分繼續(xù)申請，其中全部內(nèi)容通過引用并入本文。

本發(fā)明涉及具有由鋁制成的陽極以及含鋁離子的電解質(zhì)的電能儲存裝置。

本發(fā)明還涉及一種用于構(gòu)造具有由鋁制成的陽極和含鋁離子的電解質(zhì)的電能儲存裝置的方法。

背景技術(shù)：

已知通常用含鋁層的陽極生產(chǎn)電池。這些鋁電池通常為原電池或不可充電的鋁-空氣電池的形式，例如美國專利第4,925,744號中公開的類型。美國專利申請第2002/0,148,539號公開了使用含0.1至0.5wt％銦的鋁合金制成薄膜電池電極。美國專利申請第2012/0,082,904號公開了一種包括含鋁金屬的陽極和含鋁離子的電解質(zhì)的電池。

眾所周知，電池通常構(gòu)造為若干夾層，其中陰極與膜形成夾層并與陽極間隔且平行設置，并且電解質(zhì)浸漬膜以攜帶離子電流通過膜。這種例子在美國專利申請第2009/0142668號示出。

已知使用一種摻雜物來改變電池陰極的電化學性質(zhì)。這種摻雜的陰極已公開在美國專利第6,949,233號中。

現(xiàn)有的具有由鋁制成的陽極的能量儲存裝置已經(jīng)受到了腐蝕以及陽極表面形成氧化物的限制，從而阻礙了電解質(zhì)中的離子能夠與陽極反應并且抑制了這種電池放電和再次充電。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種電能儲存裝置，其具有一含鋁的陽極和一包括主晶格的陰極，其中主晶格具有一含離域π電子的共軛體系，并與一含鋁的摻雜物相結(jié)合，該電能儲存裝置還具有一含有分散在甘油中的正負鋁離子的電解質(zhì)。本發(fā)明還提供了一種構(gòu)造這種電能儲存裝置的方法，其包括將高氯酸鋁粉末溶解在甘油中來制備電解質(zhì)的步驟。

本發(fā)明從最廣泛的方面提供了一種電能儲存裝置，其包括一由鋁制成的陽極和一包括分散在甘油中的含鋁離子的新型電解質(zhì)。

由于其獨特的電化學特性，鋁與在電能儲存裝置(例如鋰離子電池)中通常使用的其它材料相比，具有提供更大的能量密度的潛力。鋁還有更多優(yōu)點，即，它比鋰資源更豐富、便宜、更不易燃。

甘油也稱為丙三醇或丙烷-1,2,3-三醇，是分子式為c3h8o3的簡單多元醇(糖醇)。甘油是一種資源豐富、穩(wěn)定、吸濕、無毒的溶劑，非常適合用于非水電解質(zhì)。這種電解質(zhì)使得鋁二次電池能夠構(gòu)造為具有由鋁制成的陽極，由于該陽極不會遭受破壞性腐蝕或在陽極的鋁上形成氧化物，因此能夠進行多次充電和放電循環(huán)。

附圖說明

請參閱下述詳細說明并結(jié)合附圖進行考慮，本發(fā)明的其他優(yōu)點將更加容易領(lǐng)會和更好地理解，其中：

圖1是鋁二次電池的剖視示意圖；

圖2是二次電池的俯視圖，其陽極位于陰極層上方。

具體實施方式

參見附圖，其中相似的附圖標記表示了所有附圖中相應的部分。公開了一種用做二次電池裝置22的電能儲存裝置20，該二次電池裝置使用了含有含鋁離子26、27的非水電解質(zhì)24。術(shù)語“二次電池”指能夠再充電的電化學能量儲存裝置。術(shù)語“非水性”指一種基本不含水的物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，可以構(gòu)造其他類型的電能儲存裝置20。這類電能儲存裝置20包括，例如原電池，或不可充電電池，和電解電容器。

如圖所示，二次電池裝置22構(gòu)造為薄層堆疊結(jié)構(gòu)。應當理解，二次電池裝置22可以由許多不同的物理結(jié)構(gòu)制成。這類結(jié)構(gòu)的示例可以是硬幣電池、圓柱形電池，以及例如那些通常用于筆記本電腦、個人電子設備，和電動或混合電動車輛中的多電池組合。

二次電池裝置22包括由純度為99.95％的鋁和0.1至0.6wt％的銦制成的陽極28。陽極28的形狀為具有第一長度為1.2cm、第一寬度為1.7cm以及第一厚度為0.1mm的矩形。

由導電材料制成的負極引線30采用一種含有金屬顆粒的導電接合劑32與陽極28進行電接觸式附接。這種導電接合劑32的示例為由ems(electronmicroscopysciences)公司出售的兩部分導電銀漆(部件號：12642-14)和紐約普萊森特維爾(pleasantville)的solder-it,inc公司出售的solder-it鋁焊膏。負極引線30作為連接點在陽極28和外部電路之間傳導電流，從而對電池裝置充電或放電。負極引線30也可作為與另一個電池單元的連接點，從而成為多單元電池裝置的一部分。負極引線30可以是導線、焊盤、端子或任何其它合適的實現(xiàn)電連接的裝置。

由纖維素制成的膜34具有0.08mm厚度并限定了多個孔36，該膜與陽極28成為平行夾層且接觸陽極28。該膜34是電絕緣體，但是允許溶解的離子26、27滲透。

二次電池裝置22還包括具有第二長度為1.4cm、第二寬度為1.9cm以及第二厚度為0.1mm的形狀為矩形的陰極38。陰極38與膜34相鄰且平行設置，膜34夾在陰極38和陽極28之間。

陰極38包括一由纖維素制成的載體片40和一電活性層42，該電活性層集成在載體片40內(nèi)并設置在載體片40面向陽極28的一側(cè)上。換句話說，電活性層42覆蓋載體片40的表面并延伸到其結(jié)構(gòu)中。電活性層42包含主晶格44，該主晶格限定了多個空隙，并且包括具有離域π電子的共軛體系。共軛體系被定義為由多個相連p軌道組成的系統(tǒng)，其在化合物中含有離域電子。更具體來說，共軛是一個p軌道與另一個p軌道跨越鄰近單(σ)鍵的重疊。具有這種共軛體系的一種化合物是石墨。其它化合物，例如但不限于聚苯胺和多共軛直鏈烴聚合物，也包括具有重疊p軌道的共軛體系。一種含有醇化鋁和甘油酸鋁的摻雜物48結(jié)合至主晶格44的共軛體系，以改變陰極38的電活性層42的電化學性能，從而增加與第一離子26和第二離子27的反應速率以用于二次電池裝置22的充電和放電。摻雜物48也插入主晶格44中，從而使得摻雜物48的粒子嵌入主晶格44的空隙中。

含有石墨的正極引線50電連接到陰極38的電活性層42，用于在陰極38和外部電路之間傳導電流從而對電池充電或放電。正極引線50通過含有石墨的導電粘合劑52與陰極38的電活性層42進行電子和機械附接。一種這樣的導電粘合劑52是由ems(electronmicroscopysciences)公司出售的石墨導電粘合劑52112(部件號12693-30)。正極引線50優(yōu)選由熱膨脹石墨的薄膜帶制成。正極引線50也可以是直徑為0.1mm的石墨棒。正極引線50還可以作為與另一個電池單元的連接點從而成為多單元電池裝置的一部分。正極引線50可以被構(gòu)造為導線、焊盤、端子或任何其它合適的實現(xiàn)電連接的裝置。金屬導體不應被置于與陰極38的電活性層42直接接觸，因為一些金屬已經(jīng)可以遷移到電活性層42中，并在二次電池裝置22充電和放電時干擾陰極38的功能性。

電解質(zhì)24基本上由甘油和含鋁并帶正電荷，含[al(clo4)2·{c3h5(oh)3}2]⁺的第一離子26和含鋁并帶負電荷，含[al(clo4)4]^-的第二離子27組成，其浸漬或浸泡膜34的孔36，以便將離子26、27輸送通過膜34。因此，鋁的離子26、27在陽極28和陰極38之間遷移并與其反應時形成離子電流，從而對電池進行充電和放電。

在一個實施例中，電活性層42的主晶格44包括粒徑為200至300μm的石墨片54以及一種被甘油潤濕的粘合劑材料。烷基膠和丙烯酸膠各自都是適合的粘合劑材料，其中任一種都可使用。

在一個替代實施例中，電活性層42的主晶格44包括無定形熱膨脹石墨、二氧化錳、活化二氧化錳和乙炔黑的顆粒、一種含石墨的導電涂料以及一種被甘油潤濕的粘合劑材料。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)烷基膠、丙烯酸膠和含石墨的導電涂料都是合適的粘合劑。

在另一替代實施例中，電活性層42的主晶格44包括多共軛的直鏈烴聚合物。

在另一替代實施例中，電活性層42的主晶格44包括環(huán)狀多共軛鏈聚合物，例如聚苯胺。

本發(fā)明還提供了一種用于構(gòu)造二次電池裝置22的方法。

該方法包括制造箔片56的步驟：將含純度為99.95％的鋁和0.1至0.6wt％的銦的板加熱到450℃，在以每分鐘10℃以上的速度進行冷卻的同時，滾軋板以將板的厚度減少至減小厚度，再次加熱已減小厚度的板，并將板的減小厚度重新滾軋為一種箔片56，該箔片表面涂覆有氧化鋁和表面污染物，且厚度在0.05至0.1mm之間。

該方法包括繼續(xù)處理和儲存箔片56的步驟，其包括：用乙醇沖洗箔片56以除去其表面污染物，將箔片56浸入4摩爾的水和氫氧化物溶液中1分鐘以除箔片56表面上的任何氧化鋁，用水沖洗箔片56以去除所有的氫氧化物，將箔片56在70℃下放置30分鐘以蒸發(fā)去除任何水分，并將箔片56儲存在無水環(huán)境中以防止氧化。

該方法繼續(xù)進行由箔片56制成陽極28的步驟：將箔片56分割為矩形以限定陽極28具有第一長度為1.2cm和第一寬度為1.7cm，并且使用銀漆或鋁焊膏的接合劑32將負極引線30附接至陽極28。

該方法包括構(gòu)造電池裝置的步驟：用電解質(zhì)24潤濕膜34，并且將膜34堆疊在陽極28上并與陽極28平行。

該方法包括制造陰極38的步驟：將薄膜層中的陰極混合物60施加到由纖維素制成的載體片40的一側(cè)以浸入載體片40中，使陰極混合物60達到溫度50至60℃以將陰極混合物60固化在位于載體片40上及其內(nèi)部的主晶格44上，用含有摻雜物48的摻雜流體62潤濕主晶格44，以允許摻雜物48結(jié)合并插入主晶格44來產(chǎn)生電活性層42，并且用含石墨的粘合劑52將正極引線50與陰極38的電活性層42電接觸連接。

該方法還包括構(gòu)造電池裝置的其它步驟：將陰極38堆疊在膜34上并與其平行，使膜34位于陽極28和陰極38之間。

該方法包括制備電解質(zhì)24的步驟：將高氯酸鋁粉末溶解在甘油中至飽和以制備電解質(zhì)24。

該方法還包括制備摻雜流體62的步驟：將alcl3粉末溶解在乙醇中至飽和，以生成背景溶液66，將40wt％的背景溶液66與60wt％的甘油混合以生成二元溶劑68，將1cm³99.4～99.9wt％、純度為99.95％的鋁和0.1～0.6wt％的銦磨碎制成等效表面積為20～30cm2的填料70，將填料70浸入150～200毫升的二元溶劑68中，直到填料70溶解，以制備摻雜流體62。

本發(fā)明還提供了制備陰極混合物60的第一種方法：將5wt％的烷基膠與60wt％的乙醇和35wt％的石墨片54混合。

本發(fā)明提供了制備陰極混合物60的第二種、替代方法：將無定形熱膨脹石墨粉末與1-5wt％的mno2、1-5wt％的活化mno2以及1-5wt％的乙炔黑混合制成中間混合物，并向中間混合物中加入烷基膠和乙醇或丙烯酸膠或石墨涂料的粘合劑，使陰極混合物60具有厚的可涂抹糊狀的稠度。

顯然，根據(jù)上述說明，本發(fā)明有可能有許多修改和變化，并且可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)以不同于具體描述的方式實施。權(quán)利要求中的現(xiàn)有技術(shù)先于在“特征在于”語句中提出的新穎性。這個新穎性旨在“特征在于”語句中被特別清楚地陳述，而先前的陳述僅僅闡述了本發(fā)明所屬的舊的和眾所周知的組合。這些先前的陳述應被解釋為涵蓋創(chuàng)造性新穎性的實際運用的任何組合。在設備的權(quán)利要求中使用“所述”一詞是指一個確定陳述的先行詞，其意味著被包括在權(quán)利要求的覆蓋范圍內(nèi)，而詞語之前的詞語“這個”則并不意味著被包括在權(quán)利要求的覆蓋范圍內(nèi)。此外，權(quán)利要求中的附圖標記僅僅是為了方便起見，并不以任何方式被理解為限制于此。