CN105703030A - 通过催化沉淀的电池析气缓解 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及通过催化沉淀的电池析气缓解。公开了一种二次电池，所述二次电池包括正电极和负电极、分隔件、电解质和气体缓解装置。气体缓解装置可以包括被构造为催化从在电池操作期间产生的一种或更多种气体形成固相材料的反应的催化剂。电池也可以包括围绕催化剂的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂与电解质之间的接触。电池还可以包括被构造为与所述一种或更多种气体反应以形成固相材料的种子材料，种子材料也可以被包括在保护罩内。催化剂可以包括镍纳米颗粒或碳酸酐酶，种子材料可以包括铁、镁或钙。在一个实施例中，形成的固相材料是金属碳酸盐。

Description

通过催化沉淀的电池析气缓解
技术领域
本公开涉及例如经由催化沉淀(catalyzedprecipitation)和相变的电池析气缓解(batterygassingmitigation)。
背景技术
电动车辆(例如，混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和纯电动车辆)是满足未来增加的燃料经济标准的运输行业解决方案之一。电动车辆通常依赖诸如锂离子(Li离子)和镍金属氢化物(NiMH)电池的电池，以代替一些或全部的车辆的牵引或辅助电气负载。在使用期间，密封的(例如，Li离子)或可再密封的(例如，NiMH)电池会经历由于适当的或者不适当的操作的非预期的副产物而导致的析气。随着时间的推移，这种析气会在电池的单个电池中产生显著的内压。
因为压力改变将促进电极损坏，所以这种内压会导致劣化的有害循环。这种损坏在袋式电池中会尤其有害。在袋电池或刚性壳体电池(例如，棱柱形的或圆柱形的罐)的情况下，压力会达到打开一次性使用的压力释放孔的这样的点。一旦压力释放孔被激活，因为外部环境可能已经污染了电池内部，所以该电池通常被认为是不再可使用的。除了单一使用的压力释放孔之外，通常使用的缓解析气的方法是在密封之前使电池经过若干化成循环，从而允许在这些循环期间产生的任何气体逸出。
发明内容
在至少一个实施例中，提供了一种二次电池，所述二次电池包括正电极和负电极、分隔件、电解质和气体缓解装置(gasmitigationdevice)，气体缓解装置包括被构造为催化从在电池操作期间产生的一种或更多种气体形成固相材料的反应的催化剂。
电池还可以包括围绕催化剂的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂与电解质之间的接触。电池也可以包括被构造为与所述一种或更多种气体反应以形成固相材料的种子材料。种子材料可以在保护罩内，从而防止催化剂和种子材料接触电解质。在一个实施例中，水也可以包括在保护罩内。
在一个实施例中，种子材料可以包括钙、镁和铁中的至少一种。所述一种或更多种气体可以包括二氧化碳，并且催化剂可以被构造为催化碳酸钙、碳酸镁和碳酸铁中的至少一种的形成。在一个实施例中，催化剂包括镍。镍可以包括纯镍、氧化镍、镍合金和负载镍中的一种或更多种。在另一实施例中，催化剂包括碳酸酐酶。所述一种或更多种气体可以包括乙烯、乙烷和甲烷中的一种或更多种，并且催化剂可以被构造为催化碳的形成。在一个实施例中，催化剂位于正电极和负电极上面，使得在电池的操作期间产生的所述一种或更多种气体上升并接触催化剂。
在至少一个实例中，提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正电极和负电极、分隔件、包括有机溶剂和锂盐的电解质以及气体缓解装置。气体缓解装置可以包括被构造为催化从电池中产生的一种或更多种气体形成固相材料的反应的催化剂和围绕催化剂的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂与电解质之间的接触。
电池也可以包括被构造为与所述一种或更多种气体反应以形成固相材料的种子材料。种子材料可以包括钙、镁和铁中的至少一种。在一个实施例中，所述一种或更多种气体包括二氧化碳，并且催化剂被构造为催化碳酸钙、碳酸镁和碳酸铁中的至少一种的形成。催化剂可以包括镍纳米颗粒和/或碳酸酐酶。
在至少一个实施例中，提供了一种二次电池，所述二次电池包括正电极和负电极、分隔件、电解质和气体缓解装置。气体缓解装置可以包括催化剂和种子材料，催化剂被构造为催化从种子材料和在电池的操作期间产生的一种或更多种气体形成固相材料的反应。
电池也可以包括围绕催化剂和种子材料的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂和种子材料接触电解质。在一个实施例中，种子材料包括钙、镁和铁中的至少一种。
附图说明
图1是经历析气的可再充电电池的示意图；
图2是根据实施例的包括析气缓解装置的可再充电电池的示意图；
图3是示出固相沉淀开始形成和减少的气体体积的图2的电池的示意图；
图4是示出通过析气缓解装置将基本上所有气体转变为固相沉淀的图2的电池的示意图；
图5是根据实施例的包括析气缓解装置的可再充电电池的内部的示意图；
图6是根据实施例的对于来自二氧化碳气体的固相材料的沉淀提出的机理；
图7是缓解可再充电电池中的气体的方法的实施例。
具体实施方式
如需要的，在这里公开了本发明的详细实施例；然而，将理解的是，公开的实施例仅是可以以各种和替换的形式实施的发明的示例。附图不必按比例；可以放大或最小化一些特征以示出具体组件的细节。因此，在此公开的具体结构细节和功能细节不被解释为限制性的，而仅是作为用于教导本领域的技术人员各种各样地采用本发明的代表性基础。
可再充电电池或二次电池(例如，Li离子或NiMH)中的电池析气会是非常成问题的。如在背景技术中描述的，析气可能导致会引起劣化循环的内压。压力也可能引起电池壳体的破裂或可能需要激活一次性泄压阀。因为电池内部的潜在污染会进一步使得操作不安全，所以压力释放孔的激活会本质上致使电池不能使用。除了损坏电池组件之外，析气也会通过抑制在固体电解质界面(SEI)层处发生的电荷转移来降低电池的性能。
气体可以经由多种机理在二次电池内部产生。气体产生的一个重要来源是在SEI层的化成期间(可被称为化成气体产生)。SEI层是由于电解质分解而形成在Li离子电池的电极(尤其是碳质阳极)上的保护层。SEI层通常在电池的第一循环或第一若干循环期间形成。SEI层的化成可以影响电池的性能且在防止或缓解另外的电解质分解方面是重要的。目前，通常使用的用于处理气体产生的唯一方法是在未密封的状态下对电池执行SEI化成工艺(例如，第一循环或第一少许循环)，从而允许化成气体逸出。
NiMH电池也具有化成工艺。该工艺通常包括电极/分隔件变得充分湿润，这涉及气体再组合。NiMH电池是电解质缺乏的设计，而Li离子电池通常是过量电解质的设计。太快地执行NiMH化成或用充分湿润的分隔件(因此具有较低的透气性)会由于气体再组合的介入而导致排气。分隔件通常以填充大约90％电解质开始，然后在化成之后，当电极已经吸收了更多电解质时，电解质会降到大约70％左右，然后在寿命结束时是大约10-15％。
然而，除了化成气体之外，电池析气也可能通过其他机理发生。例如，电解质的另外分解、与杂质反应、过充电、过放电、在高温下存储等等。气体产生会在电池的整个寿命期间是连续的，并会基于电池的荷电状态(SOC)而变化。异常条件或滥用条件也会引起气体形成，诸如过充电、过放电、物理损坏(例如，破碎)或车祸。
发生的析气的类型和体积可取决于电池的类型和组件(例如，电极和电解质)。诸如Li离子电池和NiMH电池的二次电池的基本组件为本领域的普通技术人员所知并且将不详细讨论。二次电池通常包括负极(阳极)、正极(阴极)、分隔件和电解质。Li离子电池阳极可以由诸如石墨(天然的、人造的或表面改性的天然的)、硬碳、软碳或富Si/Sn石墨的碳质材料形成。也可以使用诸如钛酸锂氧化物(LTO)的非碳质阳极。Li离子电池阴极可以包括锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂锰尖晶石氧化物(锰尖晶石或LMO)和磷酸铁锂(LFP)及其衍生物磷酸锰铁锂(LFMP)。另外，可以使用这些材料的任何两个或更多个的混合物。Li离子电池通常包括液体电解质，液体电解质可以包括锂盐和有机溶剂。锂盐的示例可以包括LiPF6、LiBF4或LiClO4。合适的有机溶剂可以包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)或它们的混合物。Li离子电池分隔件可以由例如聚烯烃(例如，聚乙烯或聚丙烯)的任何合适的离子传导的、电绝缘材料形成。
除了具有不同的电极和电解质的材料及组成之外，NiMH电池具有与Li离子电池相同的基本结构。NiMH阳极通常是诸如AB5、A2B7或AB2化合物的金属间化合物，阴极通常是羟基氧化镍(NiOOH)。NiMH电池中的电解质典型地是碱性电解质(水的)，例如，可与氢氧化锂和氢氧化钠混合的氢氧化钾。与Li离子电池相似，NiMH电池中的分隔件可以是聚烯烃(诸如聚丙烯或聚乙烯)，聚烯烃可以已经关于对电解质的可润湿性被处理过。
根据电池类型、电极材料、电解质组成、存在的杂质和其他因素，在Li离子电池和NiMH电池中可产生多种气体。对于Li离子电池，最常见的产生的气体(按体积计)包括二氧化碳(CO2)、氢(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)。二氧化碳典型地是最多产生的气体，氢和乙烯通常是紧接在后的最高的。对于NiMH电池，最常见的产生的气体包括氧和氢。在充电过程中，NiMH阴极可以产生O2气，在放电过程中，NiMH阳极可以吸收O2并生成水，从而在正常使用期间保持整个电池压力平衡。在过充电过程中，阴极可以产生过量的O2(例如，超过阳极可吸收的)，在过放电过程中，阳极可以产生H2气。
在本公开中，提供了通过催化的沉淀减少或消除在二次电池中的气体的电池析气缓解装置/系统和方法。在至少一个实施例中，在电池内部提供催化剂，以对从在化成或电池循环期间在电池中产生的气体的固相材料的沉淀进行催化。通过将气体转变为固相材料，显著地(通常成百上千倍地)减小气态组分的体积。通过将气态组分锁定至固相，可以减小电池的内压，从而避免电池的可能的破裂或一次性使用的压力通风口的激活。另外，气体的去除可以通过避免在气体产生时发生的在活性物质与电解质之间的界面面积的减小来提高电池的性能。气体缓解装置还可以减少或简化在化成工艺期间必要的控制和工艺。例如，因为气体缓解装置可以处理一些或全部的产生的气体，所以电池可能够较早地被密封。
参照图1-图4，示出了棱柱形的电池10的示意图。电池可以分别具有壳体12以及正极端子14和负极端子16。虽然示出了棱柱形的电池，但是电池10可以是任何已知的电池类型，诸如圆柱形的电池或袋形的电池。另外，虽然示出了具有正极端子14和负极端子16的电池10，但是电池可以包括单个突出的端子且壳体可以用作另一端子。电池10可以包括压力通风口18，如果在电池10内部达到特定阈值压力，则压力通风口18可以将气体排到大气。然而，由于本公开的气体缓解装置，电池10可以不再需要压力通风口18。如图1中示例性地示出的，在电池的化成和/或循环期间会在电池10的内部产生气体20。由于气体的低密度，气体20可以在电池内部上升并且留在电池的顶部内。
参照图2-图4，示出了包括析气缓解系统或装置22的电池10。析气缓解装置(GMD)22可以包括催化剂组件24和可选择的保护组件26。催化剂组件24可以包括催化剂或者催化在电池10内从一种或更多种气体形成固相材料的反应的催化材料28。催化剂28可以具有任何合适的形式，诸如粉末、固体或块状材料、沉积在基底上的薄膜、溶液等等。除了包括具有催化活性的催化材料28之外，催化剂组件24还可以包括可与一种或更多种气体反应以形成固体沉淀材料32的种子材料或牺牲材料30。与催化剂28类似，种子材料30可以具有任何合适的形式，包括粉末、固体或块状材料、沉积在基底上的薄膜、溶液等等。
催化剂组件24可以被保护组件26封闭或围绕。保护组件26可以具有任何合适的形式，诸如柔性的套或袋或者刚性的罩。保护组件26可以防止任何内部的材料(例如，催化剂组件24)进入到电池组件(诸如电解质或电极活性物质)中和污染电池组件，或者另外地可以防止冲击电池组件、与电池组件接触或反应。在一个实施例中，保护组件26可以是气体可透过的且液体不可透过的。术语气体可透过的和液体不可透过的可以是相对于电池中的材料的并且不会是绝对的术语。因此，保护组件26可以允许在电池内产生的气体穿透保护组件26并且与催化剂组件24反应以形成固体沉淀32。然而，保护组件26可以防止液体电解质进入GMD22的内部并与催化剂组件24反应(或可防止GMD22内部的任何液体渗出)。因此，保护组件26通过催化的沉淀来允许GMD22去除产生的气体，但它防止电池被催化剂组件24的组分或形成的沉淀32污染。保护组件26可以由任何的气体可透过的且液体不可透过的材料形成。可以适合于保护组件26的材料的非限制性示例包括纺丝高密度聚乙烯(HDPE)(例如，来自杜邦(DuPont)TM的特卫强或纺丝聚丙烯(PP)三层(例如，来自的S或绿色卫士C2000)。
参照图2，示例性地示出包括析气缓解装置22的电池10，但是是在与催化剂组件24的任何反应发生之前还存在产生的气体20。在图3中，气体20已经开始与催化剂28和种子材料30(如果存在)反应以形成固体沉淀32。因此，由于气体的反应和相变，气体云20已经收缩。在图4中，基本所有的气体20已经与催化剂组件24反应以形成固体沉淀32。如图3和图4中通过收缩的催化剂组件24示出的，在反应期间，种子材料30(如果存在)可以被反应消耗。虽然图4示出仅剩余沉淀32，但是在反应之后，催化材料28可保持未耗尽。图2-图4示意性地示出包括GMD22的效果。然而，在实践中，气体20可以随着其产生而反应且转化为固相，而不是如图2所示的首先积累。
虽然图4示出所有的气体20可以反应且被转化为固体沉淀32，但是一些气体可能保留在电池10中。如上所述，许多类型的气体可以在电池内部产生且催化剂28和种子材料30可能不引起所有的气体或气体类型被转变为固体沉淀32。在一个实施例中，催化材料28可以是催化电池中的一种或更多种气体成为固相的反应的材料。催化剂组件24也可以包括不止一种催化材料28，从而增加可反应并被转变为固相的气体20的数量。根据产生的气体和电池或电池组件的类型，可需要或者不需要种子材料30。例如，如果在电池内部存在对于形成固体沉淀32必要的反应物(或者作为预期的组分材料或者作为杂质)，则可以不需要种子材料30。然而，如果不存在必要的反应物或没有存在足够的数量，则可以包括种子材料30以促进气体20的反应以形成固相沉淀32。与催化剂28相似，种子材料可以与在电池中产生的一种或更多种气体反应。另外，多种种子材料30可以被包括在催化剂组件24中以形成一种或更多种沉淀32。在至少一个实施例中，种子材料包括金属(例如，纯金属或合金)或金属氧化物。在一个实施例中，种子材料包括钙(Ca)、镁(Mg)或铁(Fe)中的一种或更多种。
参照图5，示出了可以是Li离子电池的棱柱形的二次电池40的内部的示意图。如上所述的且如本领域的普通技术人员已知的，电池40可以包括多个阳极层42、分隔件层44和阴极层46。电池40也可以分别具有正极端子48和负极端子50以及一次性使用的压力通风口52。然而，如上所述，如本领域的普通技术人员理解的，电池40的构造可以变化。另外，由于包括析气缓解装置，在一些实施例中可以排除通风口52。电池40可以包括与上面描述的GMD22相似的析气缓解装置(GMD)54。GMD54可以包括催化剂组件56，所述催化剂组件56可以包括一种或更多种催化材料58以及一种或更多种种子材料60。与图2至图4相似，催化剂组件56可以与由电池40产生的气体反应以生成沉积层。催化剂组件56可以被与组件26相似的保护组件62围绕、包围或包住。电池40可以被封闭在壳体64中，所述壳体64可以是袋形、棱柱形或圆柱形的壳体或者本领域已知的任何其他壳体类型。
GMD54可以以任何合适的位置设置在电池40内。电池通常不具有许多闲置的或未使用的空间，尤其在电极层(有时被称为凝胶卷)中或在电极层周围。如上所述，产生的气体由于它的低密度而通常将上升到电池的顶部。电池的“顶部”可以与电池在使用时如何定向或构造有关。如在这里使用的，顶部可以意味着当安装或使用时电池具有最高高度的部分。电池经常以电池的端子向上延伸或在顶部的状态嵌入或安装。另外，在电极组件和电池端子之间可以存在可容纳GMD54的空间。因此，在至少一个实施例中，GMD54可以被设置在电极组件(例如，电极层和分隔件层)与电池端子之间。在另一实施例中，GMD54可以设置在电池40的顶部或接近电池40的顶部。GMD54可以在电极组件的至少一部分或全部上方延伸或者与电极组件的至少一部分或全部相邻。在方形电池中，GMD54可以平行于电池的一个表面延伸。在圆柱形电池中，GMD54可以平行于圆柱的端表面延伸。因此，当气体产生时，气体可以自然地扩散或移动到电池40的包括GMD54的部分。另外，将GMD54放置在电极组件的上面、上方或与电极组件相邻消除了或减少了GMD54对发生在电池40中的电化学过程的影响。
如上所述，气体的类型和气体的产生的相对速率或体积可以取决于电池的类型、电池组件、电池操作条件、外压或其他因素。例如，在Li离子电池中最常产生的气体通常是二氧化碳、氢和乙烯。因此，在至少一个实施例中，在催化剂组件中可包括一种催化剂(或多种催化剂)，所述催化剂组件催化一种或更多种产生的气体成为固相沉淀的反应。二氧化碳是典型的在Li离子电池中最多产生的气体。因此，在这里用二氧化碳成为固相的转变作为示例来描述催化剂材料、种子材料和候选的机理。然而，本领域的普通技术人员将认识到的是，基于本公开的教导，可以采用其他可能的催化剂材料、种子材料和机理以针对其他气体。
通过将气态二氧化碳转变为固相将其隔绝已经成为关于气候改变和减少大气中的温室气体的存在的活跃的研究领域。已经展现出促进二氧化碳到固相材料的转变的两种催化剂是镍纳米颗粒和碳酸酐酶(carbonicanhydrase)。为了产生诸如碳酸盐的稳定的固体沉淀，可以在催化剂组件中提供种子材料。在一个实施例中，种子材料可以是金属(纯的或合金)或金属氧化物。可以是合适的种子材料的材料的非限制性示例包括钙、镁、铁、它们的氧化物或合金或者它们的混合物。因此，二氧化碳可以反应以最后形成诸如金属碳酸盐(例如，碳酸钙、碳酸镁或碳酸铁)的碳酸盐。
图6中示出了二氧化碳的催化的沉淀的候选的机理。在第一步骤中，可以在溶液中的二氧化碳可以与液体水反应以形成碳酸(H2CO3)。在没有保护组件的实施例中，第一步骤中的水可以是由在电池内的反应产生的水(预期的或非预期的)。水可以是在Li离子电池中的电解质与电极之间的反应的非期望的副产物。然而，该水可以对于经由催化的相变去除或减少电池组件中的气体起作用。在存在诸如液体不可透过的且气体可透过的套或封装体的保护组件的实施例中，在保护组件中可以包括液体水。例如，可以在保护组件26、62内(例如，作为催化剂组件或种子材料的一部分)包括液体水。因为保护组件的气体可透过性，在电池内产生的二氧化碳可以进入保护组件，但是液体水可以保留在内部。当气体进入保护组件时，气体可以溶解在水内，从而促进第一步骤中示出的反应。
被包括的水的量可以取决于催化剂材料和/或种子材料的量或者气体的期望转变为固相的量。水的量可以基于需要与特定量的气体或其他反应物反应的化学计量量来确定。因为机理包括H+离子的产生，所以除了水之外，也可以包括缓冲溶液。因此，为了保持反应的进行，可以包括缓冲溶液以稳定溶液的pH。可以使用诸如三(羟甲基)氨基甲烷的任何合适的缓冲溶液。作为示例，如果CO2以每电池的Ah(安培-小时)1.18g的速率产生，为了化学计量地反应，每Ah可以包括0.482g的水。在一个实施例中，在电池中可以包括0.1g/Ah至1.0g/Ah的水，或者可以包括该范围中的任何子范围的水。例如，可以在电池中包括0.2g/Ah至0.8g/Ah、0.25g/Ah至0.75g/Ah、0.3g/Ah至0.7g/Ah、0.35g/Ah至0.6g/Ah或0.4g/Ah至0.6g/Ah的水。
在第二步骤中，碳酸可以解离为氢离子和碳酸根离子。可以存在碳酸解离为氢离子和碳酸氢根的中间阶段，然而，在机理中没有示出此阶段。在第三步骤中，碳酸根离子与金属离子反应以形成诸如碳酸钙、碳酸镁或碳酸铁的金属碳酸盐。如上面对于种子材料30的描述，金属离子的来源可以是纯金属、金属合金或金属氧化物。金属碳酸盐是可以是惰性的或不反应的固相。因此，在电池的化成或循环期间产生的二氧化碳气体可以以固相碳酸盐的形式被锁定或隔绝，所述固相碳酸盐具有比产生的气体的体积小若干数量级的体积。例如，CO2气体的密度是0.00198g/cm3，然而碳酸钙、碳酸铁和碳酸镁的密度分别是2.71g/cm3、3.96g/cm3和2.96g/cm3。
第一步骤中的反应通常是最慢的且会是整个机理的限速步骤。因此，催化材料28、58可以是提高此反应的速度的材料。如上所述，碳酸酐酶和镍纳米颗粒是合适的催化材料的示例。碳酸酐酶(CA)是在植物和动物(例如，牛科动物)中自然产生的酶，或者它们可以被合成地或人工地生产或改良。自然产生的碳酸酐酶通常促进二氧化碳转变为碳酸氢盐(反之亦然)以维持动物/植物组织中的酸碱平衡或者有助于将二氧化碳运输到组织的外面。催化二氧化碳的反应(诸如第一步骤)的任何碳酸酐酶可以适合于作为本公开中的催化材料。例如，碳酸酐酶可以选自于五种自然产生的碳酸酐酶族(即，α、β、γ、δ和ε)中的一种。CA也可以是合成的或改良的碳酸酐酶。碳酸酐酶可以作为溶液包括在催化剂组件中。
除了碳酸酐酶或代替碳酸酐酶，还可以包括作为催化材料的镍(Ni)纳米颗粒。Ni纳米颗粒可以催化与如上关于碳酸酐酶描述的步骤相同的反应步骤(例如，图6中的步骤1)。术语“纳米颗粒”可以对应于具有小于一微米(μm)的尺寸的任何颗粒。纳米颗粒可以具有一纳米(nm)至几百纳米(nm)的平均尺寸，例如，1nm至500nm、10nm至500nm、1nm至250nm、10nm至250nm、1nm至150nm、50nm至150nm等等。镍纳米颗粒可以是松散粉末的形式或可以沉积在基底上。如果颗粒是松散粉末的形式，则它们可以和种子材料(如果存在)的粉末混合以减少反应物与催化剂之间的距离并增大可用于反应的表面积。基于与以上关于松散粉末的理由类似的理由，如果颗粒沉积在基底上，则种子材料也可以沉积在基底上。Ni纳米颗粒可以是纯镍、氧化镍或镍合金。
电池中出现的气体的量的任何可观的减少可以对于减少内压和缓解对电池性能的不利影响是有利的。因此，任何合适量的催化材料可以包括在析气缓解装置中。然而，为了催化基本量的反应或电池中产生的基本所有气体，可以包括特定数量的催化剂。催化剂的量可以基于多种因素来确定，诸如电池的预计条件、电池的尺寸、电池电荷的量(例如，安培-小时)等等。在一个实施例中，在GMD中每电池电荷(容量)的安培-小时(Ah)可以包括5mg至25mg的或其任何子范围的碳酸酐酶。例如，可以包括10mg/Ah至20mg/Ah、12mg/Ah至18mg/Ah或大约15mg/Ah的碳酸酐酶。在一个实施例中，基于滥用的条件，可以包括大约14.66mg/Ah的CA以充分地催化产生的二氧化碳。因此，对于5Ah的电池(例如，混合动力电动车辆电池)，可以包括大约73mg的CA，对于25Ah的电池(例如，电动车辆电池)，可以包括大约366mg的CA。
在一个实施例中，在GMD中每电池电荷(容量)的安培-小时(Ah)可以包括1mg至25mg的或其任何子范围的镍纳米颗粒。例如，可以包括1mg/Ah至20mg/Ah、2mg/Ah至15mg/Ah、2mg/Ah至10mg/Ah、3mg/Ah至8mg/Ah或大约6mg/Ah的镍纳米颗粒。在一个实施例中，基于滥用的条件，可以包括大约6.2mg/Ah的镍纳米颗粒以充分地催化产生的二氧化碳。因此，对于5Ah电池(例如，混合动力电动车辆电池)，可以包括大约31.2mg的镍纳米颗粒，对于25Ah电池(例如，电动车辆电池)，可以包括大约155.4mg的镍纳米颗粒。
可选择地，不与电池尺寸或电荷呈函数关系的总的催化剂数量可以被包括在析气缓解装置中。在一个实施例中，电池可以包括至少5mg的碳酸酐酶，例如，至少15mg、25mg、50mg、100mg、250mg、500mg或1,000mg的CA。作为范围的陈述，电池可以包括5mg至1,000mg的或其任何子范围的碳酸酐酶，诸如15mg至500mg、25mg至500mg或50mg至500mg的CA。相似地，在一个实例中，电池可以包括至少1mg的镍纳米颗粒，例如，至少5mg、10mg、25mg、50mg、100mg、150mg、250mg、500mg或1,000mg的镍纳米颗粒。作为范围的陈述，电池可以包括1mg至1,000mg的或其任何的子范围的镍纳米颗粒，诸如1mg至250mg、1mg至150mg、1mg至50mg、5mg至250mg、25mg至250mg或50mg至250mg的镍纳米颗粒。也可以使用这些范围之外的数量，然而，就催化活性而言，对于某些电池尺寸，较低的值会提供不充足的催化活性，较高的值会使收益递减，或者会开始代替电池中的太多空间或会不必要地增加成本。
如上所述，其他催化材料和/或种子材料可以用于从除了二氧化碳的一种或更多种气体沉淀固相材料。可以包括催化剂和种子材料以催化氢(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)和/或乙烷(C2H6)沉淀为固相。例如，可以使用从一氧化碳、甲烷、乙烯和/或乙烷沉淀各种形式的固体碳(例如，纳米管、丝、纳米纤维)的催化剂。这样的催化剂的非限制性示例可以包括金属镍、氧化镍(NiO)、二氧化硅(SiO2)、Fe-M(M＝Pd、Mo或Ni)或它们的混合物。催化剂可以不负载在例如铝、硅或碳(例如，纳米管、纳米纤维)上或者负载在例如铝、硅或碳(例如，纳米管、纳米纤维)上。基于上面描述的关于二氧化碳的沉淀的非限制性的示例，本领域的普通技术人员可以并入催化材料、种子材料和任何需要的另外的材料(例如，诸如水的溶剂)，以催化在Li离子电池、NiMH电池或其他可再充电电池中产生的一种或更多种气体的沉淀。
参照图7，公开了缓解或减少二次电池中的气体的方法100的实施例。与上面的相似，参照锂离子电池和二氧化碳气体来描述方法100，然而，本领域的普通技术人员将理解的是，基于本公开，如果必要的话，可以将其他催化剂和/或种子材料并入到该方法中，可以缓解其他气体，或者可以重新布置、修改、添加或去除某些步骤。在步骤102中，可以将气体缓解装置(GMD)插入到诸如锂离子电池的二次电池中。如上所述，可以将GMD放置在或定位于电极组件的上面。在步骤104中，例如在化成工艺期间或通过其他机理(诸如电解质分解或与杂质反应)在电池中产生一种或更多种气体。气体可以包括二氧化碳、一氧化碳、氢、甲烷、乙烷、乙烯等等。
在步骤106中，气体或多种气体可以移动或扩散到GMD。如上所述，如果GMD定位于电极组件的上面，则通过气体与电池的其他组件相比的减小的密度可以帮助气体移动/扩散。在步骤108中，气体可以进入GMD。如上所述，GMD可以包括气体可透过的且液体不可透过的(至少相对于电池组件)保护罩。保护罩可以因此将GMD的内容物与其余的电池组件(例如，电解质、电极活性物质等)隔离或分隔开。通过防止GMD的内容物(例如，催化剂、种子材料、水/溶剂、缓冲剂)与诸如电解质的电池组件之间的接触，可以防止电池的污染。
在步骤110中，气体或多种气体可以溶解于GMD内的溶液中。如上所述，可以在保护罩内提供水或另一溶剂(并防止水或另一溶剂溢出)。因此，诸如二氧化碳的气体可以进入水溶液。在步骤112中，气体或多种气体可以反应以形成固相沉淀。催化剂可以催化至少一个反应以促进或加快沉淀的形成。例如，如果气体是二氧化碳，则反应机理可以遵循图6中的步骤。溶液中的二氧化碳可以与水反应以形成碳酸，然后碳酸可以解离成氢离子和碳酸根离子。然后碳酸根离子可以与种子材料的金属离子反应以形成诸如碳酸铁、碳酸镁或碳酸钙的金属碳酸盐。固体沉淀可以保留在保护罩内以防止与诸如电解质的电池组件接触。因此，方法100可以通过由催化沉淀引起气体反应并形成固相来缓解或消除在二次电池的生命周期期间产生的气体。
虽然在上面描述了示例性实施例，但不意图这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述性的而非限制性的词语，理解的是，在不脱离发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。另外，可以结合各种实施的实施例的特征以形成发明的更多实施例。

Claims (10)

1.一种二次电池，包括：
正电极和负电极；
分隔件；
电解质；以及
气体缓解装置，包括被构造为催化从在电池操作期间产生的一种或更多种气体形成固相材料的反应的催化剂。
2.根据权利要求1所述的电池，所述电池还包括围绕催化剂的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂与电解质之间的接触。
3.根据权利要求1所述的电池，所述电池还包括被构造为与所述一种或更多种气体反应以形成固相材料的种子材料。
4.根据权利要求3所述的电池，所述电池还包括围绕催化剂和种子材料的保护罩，保护罩是气体可透过且液体不可透过的并防止催化剂和种子材料接触电解质。
5.根据权利要求4所述的电池，所述电池还包括保护罩内的水。
6.根据权利要求3所述的电池，其中，种子材料包括钙、镁和铁中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的电池，其中，所述一种或更多种气体包括二氧化碳，并且催化剂被构造为催化碳酸钙、碳酸镁和碳酸铁中的至少一种的形成。
8.根据权利要求1所述的电池，其中，催化剂包括镍。
9.根据权利要求8所述的电池，其中，镍包括纯镍、氧化镍、镍合金和负载镍中的一种或更多种。
10.根据权利要求1所述的电池，其中，催化剂包括碳酸酐酶。
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