CN103534861B - 用于可再充电蓄电池的活性材料 - Google Patents

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Abstract

一种镁蓄电池，其包括第一电极和第二电极，其中第一电极包含活性材料。电解质设置于第一电极和第二电极之间。该电解质包含镁化合物。该活性材料包含镁与铋的金属间化合物。

Description

用于可再充电蓄电池的活性材料
技术领域
本发明涉及电化学装置，例如蓄电池，特别是可再充电蓄电池，例如可再充电镁蓄电池。
背景技术
可再充电蓄电池，例如锂离子蓄电池，具有大量的商业应用。容量密度是一个重要的特征，且更高的容量密度对许多应用而言都是需要的。
与锂离子的单一电荷不同，镁或镁离子蓄电池中的镁离子负载两个电荷。改善了的电极材料对为了开发高容量密度蓄电池会是非常有用的。
发明概述
在一个方面公开了包括第一电极和第二电极的镁蓄电池，其中该第一电极包含活性材料。电解质置于第一电极和第二电极之间。该电解质包含镁化合物。该活性材料包含镁与铋的金属间化合物。
在另一个方面，公开了用于镁蓄电池的活性材料，其包含铋金属，其中在活性材料充电状态该活性材料具有对应于铋金属的相且其中在活性材料的放电状态该活性材料具有对应于镁与铋的金属间化合物的相。
在又一个方面，公开了包括第一电极和第二电极的镁离子蓄电池，该第一电极包含活性材料。电解质设置于第一电极和第二电极之间。该电解质包含镁化合物。该活性材料包含镁与铋的金属间化合物。
附图简介
图1为镁蓄电池的图，该镁蓄电池具有镁金属正电极和包含新的活性材料的负电极；
图2为作为铋阳极活性材料的θ角的函数的XRD强度曲线图，铋阳极活性材料指铋和金属间物种；
图3为作为在循环试验中包含铋的阳极活性材料的比电容的函数的电压曲线图。
发明详述
本发明的实施例包括电化学装置，例如蓄电池，特别是可再充电蓄电池。实施例包括镁基蓄电池，且具体为在镁蓄电池的电极内用作活性材料的材料。特别地，实施例的蓄电池包括包含铋的电极活性材料。例如该活性材料可包含铋和铋与镁的金属间化合物。本文所述的改善了的活性材料可在实施例的蓄电池的阴极和/或阳极内使用。
在具体的并不旨在进行限制的实施例中，用于镁蓄电池的改善了的活性材料包含铋和具有式Mg3Bi2的铋与镁的金属间化合物。
由于其高容量密度，期望可再充电镁蓄电池为高能量蓄电池系统。特别地，如与锂离子蓄电池所比较的那样，镁离子转移两个电子/每个镁离子。然而，之前尚没有可充分利用该高容量密度的优点的良好的阴极或阳极活性材料。
在本发明的实施例中，包含铋和铋与镁的金属间化合物的改善了的活性材料被用作可再充电蓄电池的活性材料。改善了的活性材料的具体例子包括铋和Mg3Bi2。活性材料还可包含导电材料和粘结剂。导电材料的例子包括碳颗粒，例如炭黑。实例的粘结剂包括各种聚合物。
电解质层可包括隔膜，该隔膜有助于在正电极和负电极之间维持电隔离。隔膜可包括纤维、颗粒、网状物、多孔片材、或其它形式的被设置来降低电极之间短路和/或物理接触的风险的材料。该隔膜可为单一组元，或可包括多个分散的间隔组元，例如颗粒或纤维。该电解质层可包括注入电解质溶液的隔膜。在某些实施例中，例如使用聚合物电解质，可省略该隔膜。
电解质层可包含非水溶剂，例如有机溶剂，和活性离子的盐，例如镁盐。由镁盐提供的镁离子与（一种或多种）活性材料电解地相互作用。该电解质可为包含或提供镁离子的电解质，例如包含镁盐的非水或疏质子电解质。该电解质可包含有机溶剂。镁离子可以镁的盐或络合物或以任何合适的形式存在。
电解质可包含其它化合物，例如增强离子传导性的添加剂，且可在某些实施例中包含作为添加剂的酸性或碱性化合物。电解质可为液体、凝胶、或固体。电解质可为聚合物电解质，例如包括增塑的聚合物，且可具有注入或包含镁离子的聚合物。在某些实施例中，电解质可包含熔盐。
在包含具有镁金属的电极的蓄电池的实施例中，镁可以片材、带材、颗粒、或其它物理形式存在。镁可以基本上纯的镁金属或以一些其它形式存在。例如，e电极可包含含有镁的金属，例如镁合金。含有镁的电极可由集流体支撑。
集流体可包括其上支撑有电极的金属或其它导电片材。金属片材可包含铝、铜、或其它金属或合金。在某些实施例中，金属外壳可提供集流体的作用。其它导电材料，例如导电聚合物，可被用作集流体。
在电极中使用的粘结剂可包括能够粘结电极部件的任何材料。在电池领域已知许多粘结剂，例如已知且可使用的各种聚合物粘结剂。
图1显示了具有改善了的负电极活性材料的可再充电镁离子蓄电池。该蓄电池包括包含镁金属的正电极10、电解质层12、负电极14、集流体16、负电极壳18、正电极壳20、和密封垫片22。该电解质层16包括浸泡在电解质溶液中的隔膜，和被集流体16支撑的正电极14.在该实施例中，负电极包括根据本发明的实施例的改善了的活性材料、导电碳和粘结剂。例如，负电极可包含铋和铋与镁的金属间化合物，例如Mg3Bi2。
实施例
铋粉末购自Sigma Aldrich（CAS 7440-69-9），且与作为粘结剂的PVdF（Kreha KF-Polymer）和乙炔黑（DENKAHS-100）混合来分别制备糊料。通过常规的电极制备方法将所制备的糊料涂覆到Ni或Cu的集流体上。采用商业电化学电池（Tomcell TJAC）制造Bi/Mg电池。制备格利雅基电解质（0.25M EtMgCl-Me，在四氢呋喃中的AlCl）作为电解质溶液且制备镁金属盘（ESPI金属3N纯度）作为对电极。在电池制造之前通过玻璃片刮擦镁金属阴极以除去在表面处的MgO层。在0.43C（1mA I电池）下进行Bi/Mg电池的恒电流充放电试验。采用Cu-Kα光束（40kV44mA），在2θ为10°-60°的范围，以2゜min-1的扫描速率进行充电和放电阳极的XRD分析。
图2显示了用于放电和充电阳极两者的铋阳极活性材料的XRD曲线图。如曲线图中可见，放电曲线非常符合由曲线图中的菱形表示的Mg3Bi2的图形。该菱形图形为六方晶系金属间Mg3Bi2相。对应于充电阳极的曲线密切遵循由点表示的铋的菱形晶系相的图形。放电和充电曲线的组合表明在铋与金属间化合物Mg3Bi2之间在镁蓄电池的充电和放电循环期间产生两相反应。
图3显示了铋和铋与镁的金属间化合物的阳极活性材料的充电/放电曲线。具有0.25M EtMgCl-2Me2AlCl电解质的铋-镁电池在1毫安（0.43C）的电流下运行。如从曲线图可见，该电极构造显示了大于380毫安-小时/克的能量容量以及100%的库仑效率。曲线图表明约387毫安-小时/克的能量容量。
镁/铋半电池曲线图显示了约100%的库仑效率和387mAh/g的连续稳定的放电容量。因此，就容量密度而言，镁/铋系统具有超过锂离子蓄电池的明显的潜在优点。
本发明的实施例包括蓄电池，该蓄电池具有一个或多个电池，以任何合适的形态因子例如纽扣电池、其它的圆形电池、圆柱形电池、矩形或其它方形蓄电池（prismatic cell）等并联和/或串联地电连接。实施例的设备还包括绕卷电池形式、蓄电池与超级电容器和/或燃料电池等的组合。
本发明的实施例还包括不同的电动设备，例如消费者电子设备、医疗设备、电力或混合动力车辆或包括根据本发明的实施例的蓄电池的其它设备。
本发明的实施例包括一级（非再充电，例如镁蓄电池）和二级（可再充电，例如镁离子）蓄电池。具体的实施例包括可再充电镁离子蓄电池。术语“镁基蓄电池”包括一级和二级蓄电池两者，即镁蓄电池和镁离子蓄电池两者。本发明的实施例包括任何镁基蓄电池，包括具有大于常规锂离子可再充电蓄电池的容量密度的镁离子蓄电池。
可通过任何合适的方法制造该电极。例如，糊料可由活性材料的颗粒、粘结剂和电子导电性材料（例如石墨碳颗粒或炭黑）形成。可将糊料沉积在导电基材例如集流体上，且当需要时进行热处理。
制造蓄电池例如可再充电镁离子蓄电池的改善了的方法包括提供由电解质分隔的第一和第二电极、至少一个包含铋和铋与镁的金属间化合物例如Mg3Bi2的电极。
本发明并不限于以上所述的解说例。所描述的实施例并不旨在限制本发明的范围。对本领域的技术人员来说可想到其中的变化、组元的其它组合和其它用途。本发明的范围由权利要求的范围限定。
以上描述了本发明，以下为权利要求。

Claims (16)

1.一种镁蓄电池，其包括：
包含活性材料的负电极；
正电极；
设置于负电极和正电极之间的电解质，该电解质包含镁化合物，该镁化合物提供了与活性材料电解地相互作用的镁离子，
该活性材料包含镁与铋的金属间化合物。
2.权利要求1的镁蓄电池，其中该负电极包含铋。
3.权利要求1的镁蓄电池，其中该正电极包含镁金属或镁合金。
4.权利要求1的镁蓄电池，其中活性材料包含Mg3Bi2。
5.权利要求1的镁蓄电池，其中在活性材料的充电状态活性材料具有对应于铋金属的相，且其中在活性材料的放电状态活性材料具有对应于镁与铋的金属间化合物的相。
6.权利要求1的镁蓄电池，其中该负电极包含粘结剂、导电材料和活性材料。
7.一种用于镁蓄电池的活性材料，其包括：
包含铋金属的负电极活性材料，其中在活性材料的充电状态活性材料具有对应于铋金属的相，且其中在活性材料的放电状态活性材料具有对应于镁与铋的金属间化合物的相。
8.权利要求7的活性材料，其中充电状态具有对应于铋的菱形晶系相的相。
9.权利要求7的活性材料，其中放电状态具有对应于Mg3Bi2的六方晶系相的相。
10.权利要求7的活性材料，其中在具有粘结剂、导电材料和活性材料的负电极组件上包括该活性材料。
11.一种镁离子蓄电池，其包括：
包含活性材料的负电极；
正电极；
设置于负电极和正电极之间的电解质，该电解质包含镁化合物，该镁化合物提供了与活性材料电解地相互作用的镁离子，
该活性材料包含镁与铋的金属间化合物。
12.权利要求11的镁离子蓄电池，其中该负电极包含铋。
13.权利要求11的镁离子蓄电池，其中该正电极包含镁金属或镁合金。
14.权利要求11的镁离子蓄电池，其中该活性材料包含Mg3Bi2。
15.权利要求12的镁离子蓄电池，其中在活性材料的充电状态活性材料具有对应于铋金属的相，且其中在活性材料的放电状态活性材料具有对应于镁与铋的金属间化合物的相。
16.权利要求11的镁离子蓄电池，其中该负电极包含粘结剂、导电材料和活性材料。
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