DE112018003768T5

DE112018003768T5 - Wiederaufladbare batterie mit wasserstofffänger

Info

Publication number: DE112018003768T5
Application number: DE112018003768.1T
Authority: DE
Inventors: Steven Kaye; Maria N. Luckyanova; Ghyrn E. Loveness
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN110915016A; US11349161B2; WO2019023010A1; US20200161719A1

Abstract

Energiespeichervorrichtungen, Batteriezellen und Batterien mit der vorliegenden Technologie können einen ersten Kollektor und einen zweiten Kollektor einschließen. Die Batterien können ein Anodenmaterial einschließen, das mit dem ersten Stromkollektor gekoppelt ist. Die Batterien können ein Kathodenmaterial einschließen, das mit dem zweiten Stromkollektor gekoppelt ist. Die Batterien können auch einen Separator einschließen, der zwischen dem Kathodenmaterial und dem Anodenmaterial angeordnet ist. Die Batterien können ein Wasserstofffängermaterial einschließen, das in das anodenaktive Material oder das kathodenaktive Material integriert ist. Das Wasserstofffängermaterial kann Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa 20 C absorbieren oder mit diesem reagieren.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/536.056 , eingereicht am 24. Juli 2017, deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf Batterien und Batteriekomponenten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Technologie auf die Integration von Fängern in wiederaufladbare Batteriezellenausgestaltungen.
HINTERGRUND
In batteriebetriebenen Vorrichtungen können Reaktionen, die während des Betriebs auftreten, eines oder mehrere Gase erzeugen. Diese Gase können in einigen Ausgestaltungen entlüftet oder freigegeben werden oder können sich in der Batterie aufbauen, was die Leistung beeinträchtigen kann. Verbesserte Ausgestaltungen sind erforderlich.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Energiespeichervorrichtungen, einschließlich Batteriezellen und Batterien, was Zink-Alkali-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien mit einer Vielzahl von Formen einschließlich gewickelten Zellen und gestapelten Zellen einschließen kann, was auch bipolare Batterien sowie Batterien sein oder einschließen können, die in einer beliebigen Orientierung einschließlich zum Beispiel vertikal und horizontal gestapelt sein können. Diese Vorrichtungen können eine Anzahl von Zellstrukturen einschließen, die Aspekte der vorliegenden Technologie verwenden, und die gewickelte, zylindrische, prismatische und andere Batteriekonfigurationen einschließen können. Die Zellen können eine Reihe von Merkmalen und Materialkonfigurationen einschließen, wie in dieser Offenbarung beschrieben wird.
Energiespeichervorrichtungen, Batteriezellen und Batterien mit der vorliegenden Technologie können einen ersten Kollektor und einen zweiten Kollektor einschließen. Die Batterien können ein Anodenmaterial aufweisen, das mit dem ersten Stromkollektor gekoppelt ist. Die Batterien können ein Kathodenmaterial aufweisen, das mit dem zweiten Stromkollektor gekoppelt ist. Die Batterien können auch einen Separator aufweisen, der zwischen dem Kathodenmaterial und dem Anodenmaterial angeordnet ist. Die Batterien können ein Wasserstofffängermaterial einschließen, das in das anodenaktive Material oder das kathodenaktive Material integriert ist. Das Wasserstofffängermaterial kann Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa bei 20 °C absorbieren oder mit diesem reagieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert sein, dass es mit Wasserstoff bei einem Druck von mehr als oder etwa 0,1 bar reagiert. Das Wasserstofffängermaterial kann so konfiguriert sein, dass es mit Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa bei 40 °C reagiert. Das Wasserstofffängermaterial kann durch eine volumetrische Kapazität für Wasserstoff von mehr als oder etwa 10 g/L gekennzeichnet sein. Das anodenaktive Material kann ein Zink enthaltenden Material einschließen, und das kathodenaktive Material kann Mangan enthaltendes Material, ein Nickel enthaltendes Material oder ein Silber enthaltendes Material einschließen. Das Wasserstofffängermaterial kann ein Basismaterial und einen Katalysator einschließen. Das Basismaterial kann ein kohlenstoffhaltiges Material sein oder einschließen. Das kohlenstoffhaltige Material kann ein Allotrop aus Kohlenstoff einschließen. Das kohlenstoffhaltige Material kann ein Polymer sein oder einschließen, das durch eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung oder eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung gekennzeichnet ist. Der Katalysator kann ein Metall enthaltendes Material sein oder einschließen.
In einigen Ausführungsformen kann das Metall enthaltende Material ein Metall aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Iridium, Nickel, Platin, Lanthan, Titan, Cer, Palladium, Rhodium oder Ruthenium besteht. Das Wasserstofffängermaterial kann so konfiguriert sein, dass es im Wesentlichen inert gegenüber dem Elektrolyten bei dem Betriebspotential des aktiven Anodenmaterials oder des aktiven Kathodenmaterials bleibt, in das der Wasserstofffänger integriert ist. Das Wasserstofffängermaterial kann mit dem kathodenaktiven Material integriert sein, und das Wasserstofffängermaterial kann so konfiguriert sein, dass es die Sauerstoffproduktion an der Kathode um weniger als oder etwa 1 g/L erhöht. Das Wasserstofffängermaterial kann in das anodenaktive Material integriert sein, und das Wasserstofffängermaterial kann so konfiguriert sein, dass es die Wasserstoffproduktion an der Anode um weniger als oder etwa 1 g/L erhöht.
Die vorliegende Technologie deckt auch Batteriezellen ab. Beispielhafte Batteriezellen können ein anodenaktives Material und ein kathodenaktives Material einschließen. Die Batteriezellen können einen Separator einschließen, der zwischen dem anodenaktiven Material und dem kathodenaktiven Material angeordnet ist. Die Batteriezellen kann auch ein Wasserstofffängermaterial in Kontakt mit dem Separator einschließen. Das Wasserstofffängermaterial kann Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa bei 20 °C absorbieren oder mit diesem reagieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial auf einer Oberfläche des Separators angeordnet sein. Das Wasserstofffängermaterial kann auch in den Separator integriert sein. Das anodenaktive Material kann ein Zink enthaltendes Material sein oder einschließen und das Kathodenmaterial kann ein Mangan enthaltendes Material, ein Nickel enthaltendes Material, oder ein Silber enthaltendes Material sein oder einschließen. Der Wasserstofffänger kann ein Basismaterial und ein geträgerter Katalysator sein oder diese einschließen.
Die vorliegende Technologie deckt auch Batterien ab. Beispielhafte Batterien können ein Batteriegehäuse einschließen, das durch eine Innenfläche und eine Außenfläche gekennzeichnet ist. Die Batterien können einen ersten Stromkollektor und einen zweiten Stromkollektor einschließen. Die Batterien können ein anodenaktives Material aufweisen, das mit dem ersten Stromkollektor gekoppelt ist, und können ein kathodenaktives Material aufweisen, das mit dem zweiten Stromkollektor gekoppelt ist. Die Batterien können einen Separator aufweisen, der zwischen dem Anodenmaterial und dem Kathodenmaterial angeordnet ist. Die Batterien können auch ein Wasserstofffängermaterial einschließen, das entlang der Innenfläche des Batteriegehäuses positioniert ist. Das Wasserstofffängermaterial kann Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa bei 20 °C absorbieren oder mit diesem reagieren. In einigen Ausführungsformen können die Wasserstofffängermaterialien ein Kohlenstoff enthaltendes Material und einen Katalysator einschließen.
Solch eine Technologie kann gegenüber der herkömmlichen Technologie sehr viele Vorteile bieten. Beispielsweise können die vorliegenden Vorrichtungen den Wasserstoffaufbau innerhalb der Zelle verringern, ohne die Zellintegrität zu beeinträchtigen. Zusätzlich können die Ausgestaltungen standardisierte Formfaktoren und Kapazität während des Betriebs aufrechterhalten. Diese und andere Ausführungsformen, zusammen mit vielen ihrer Vorteile und Merkmale, werden detaillierter in Verbindung mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren beschrieben.
Figurenliste
Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der offenbarten Ausführungsformen kann durch Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Patentschrift und den Zeichnungen realisiert werden.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3A-3B zeigen schematische Darstellungen von Wasserstofffängermaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie.
4A-4B zeigen schematische Querschnittsansichten von Komponenten eines Energiespeichers nach Ausführungsformen der vorliegenden Technologie.
5A-5B zeigen schematische Querschnittsansichten einer Energiespeichervorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie.

Einige der Figuren sind als Schemata eingeschlossen. Es ist zu beachten, dass die Figuren zur Veranschaulichung dienen und nicht als maßstabsgetreu anzusehen sind, sofern dies nicht speziell angegeben ist. Darüber hinaus werden die Figuren als Schemata bereitgestellt, um dem Verständnis zu dienen, und schließen gegebenenfalls nicht alle Aspekte oder Informationen im Vergleich zu realistischen Darstellungen ein, und können übertriebenes Material zu veranschaulichenden Zwecken einschließen.
In den Figuren können gleiche Komponenten bzw. Merkmale die gleichen Bezugszeichenmarkierungen aufweisen. Ferner können verschiedene Komponenten desselben Typs unterschieden werden, indem der Bezugszeichenmarkierung ein Buchstabe folgt, der unter den ähnlichen Komponenten bzw. Merkmalen unterscheidet. Wenn nur die erste numerische Bezugszeichenmarkierung in der Beschreibung verwendet wird, ist die Beschreibung auf eine beliebige der ähnlichen Komponenten bzw. Merkmale mit der gleichen ersten numerischen Bezugszeichen unabhängig vom Buchstabensuffix anwendbar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Batterien, Batteriezellen, und allgemeiner Energiespeichervorrichtungen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel können alkalische Batterien elektrochemische Zellen einschließen, in denen der Elektrolyt eine konzentrierte wässrige Lösung von Kaliumhydroxid oder Hydroxide anderer Gruppe I- oder Alkalimetalle sein kann. Ähnlich wie bei anderen Batteriezellausgestaltungen kann der Verbundstoff eine positive Elektrode und eine negative Elektrode mit einem Separator einschließen, der zwischen diesen angeordnet ist, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, während den Ionentransport zugelassen wird. Da der Elektrolyt eine wässrige Lösung sein kann, ist ein Problem in vielen solcher elektrischen Zellen die Reduktion von Wasser an der negativen Elektrode, um Wasserstoff zu erzeugen. Elektronen von der negativen Elektrode, die in einigen Ausgestaltungen die Anode sein kann, werden Wasserstoffkationen in der Lösung bereitgestellt und Wasserstoffgas kann erzeugt werden. Dieses Wasserstoffgas kann sich innerhalb der Zelle ansammeln und mechanische Beschädigungen oder Störungen des elektrischen Betriebs der Zelle verursache, was die Kapazität oder die Lebensdauer der Batterie in dem es angeordnet ist, verringern.
Herkömmliche Technologien haben versucht, dieses Problem auf verschiedene Weisen aufzulösen. Eine Art, die Ansammlung anzugehen ist, Entlüftungsöffnungen zur Freisetzung von Wasserstoffgas in der Zelle einzuschließen. Jedoch können diese Entlüftungsöffnungen auch ermöglichen, dass andere Materialien aus der Zelle entweichen und einen Eintrittsort für Umgebungsluft oder Verunreinigungen bereitstellen. Andere Ausgestaltungen können die Dicke der Zellwand erhöhen, um den Druckaufbau im Laufe der Zeit aufzufangen, oder Materialien in die Zelle in einem Versuch zur Reduzierung und Begrenzung der Wasserstoffbildung modifizieren. Diese Änderungen entfernen jedoch das Wasserstoffgas nicht, und lassen es zu, dass sich die Batteriekapazität mit der Zeit verringert, während sich das Gas weiter ansammelt.
Die vorliegende Technologie überwindet diese Probleme, indem ein zusätzliches Material in die Batteriezellen integriert wird, um erzeugten Wasserstoff abzufangen. Dieses Wasserstofffängermaterial kann ein Ansammeln von Wasserstoffgas innerhalb der Zelle verringern, begrenzen oder im Wesentlichen verhindern, was die oben besprochenen Probleme unterstützen oder lösen kann. Die Wasserstofffängermaterialien können an verschiedenen Positionen innerhalb der Zelle eingeschlossen sein, um einen Bereich zur Hydrierung des Fängermaterials bereitzustellen, der das Wasserstoffgas aus der Zelle entfernen kann, indem es in das Fängermaterial integriert wird. Nach der Beschreibung von Batterie- und Zellausgestaltungen unter Verwendung der vorliegenden Technologie wird die Offenbarung eine Anzahl von Ausführungsformen erörtern, die diese Wasserstofffängermaterialien in neuen Zellstrukturen enthalten.
Obwohl sich die verbleibenden Abschnitte der Beschreibung üblicherweise auf Batterien mit einem alkalischen Elektrolyten beziehen, wird für einen Fachmann ohne Weiteres ersichtlich sein, dass die Technologie nicht darauf beschränkt ist. Die vorliegenden Ausgestaltungen können mit einer beliebigen Anzahl von Batterie- oder Energiespeichervorrichtungen verwendet werden, einschließlich anderer wiederaufladbarer und primärer oder nicht wiederaufladbarer Batterietypen sowie elektrochemischer Kondensatoren, die auch als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bekannt sind. Darüber hinaus kann die vorliegende Technologie auf Batterien und Energiespeichervorrichtungen anwendbar sein, die in einer Reihe von Technologien verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, Telefone und Mobilvorrichtungen, tragbare elektronische Vorrichtungen, Laptops und andere Computer, Geräte, schwere Maschinen, Transporteinrichtungen einschließlich Automobilen, Wasserfahrzeugen, Luftfahrzeugen, und Raumfahrzeugen, ebenso wie jede andere Vorrichtung, die Batterien verwenden oder Nutzen aus der beschriebenen Ausgestaltungen ziehen kann. Entsprechend sind die Beschreibung und Ansprüche nicht als auf ein bestimmtes erörtertes Beispiel begrenzt anzusehen, sondern können allgemein mit einer Reihe von Vorrichtungen verwendet werden, die einige oder alle der elektrischen oder chemischen Eigenschaften der erörterten Beispiele aufweisen können.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt eine zylindrische Batterie, die in Ausführungsformen eine alkalische Batterie sein kann. Es ist zu beachten, dass die Batterieform beispielhaft ist, und andere gewickelte oder geschichtete Batterien ähnliche Komponenten einschließlich Pouch- oder prismatische Zellen einschließen, die ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Energiespeichervorrichtung 100 kann ein äußeres Gehäuse 105 einschließen, das die Komponenten der Energiespeichervorrichtung 100 enthält. Innerhalb des äußeren Gehäuses 105 kann ein kathodenaktives Material 110 vorhanden sein, das mit einem Kathodenstromkollektor 115 in Kontakt stehen kann. Der Kathodenstromkollektor 115 kann mit einem zusätzlichen leitfähigen Element gekoppelt oder einen positiven Anschluss 117 der Energiespeichervorrichtung 100 bilden. Der Kathodenstromkollektor 115 kann rostfreier Stahl oder ein anderes leitfähiges Material sein, das für die elektronische Übertragung geeignet ist. Die Energiespeichervorrichtung 100 kann auch ein anodenaktives Material 120 enthalten, das in Kontakt mit einem Anodenstromkollektor 125 sein kann.
Der Anodenstromkollektor 125 kann ein zusätzliches leitendes Element bilden oder damit gekoppelt sein, das den negativen Anschluss 140 bildet. Der Anodenstromkollektor 125 kann Messing oder ein anderes leitfähiges Material sein, das für die elektronische Übertragung geeignet ist. Ein Separator 130 kann zwischen dem kathodenaktiven Material 110 und dem anodenaktiven Material 120 angeordnet sein, um ein Kurzschließen zwischen den Materialien zu verhindern. Ein Abschnitt des Separators 130 oder ein separater Isolator 135 kann mit dem Separator 130 verbunden positioniert werden, um den Kontakt des negativen Anodenmaterials 120 mit dem positiven Anschluss 117 weiter zu begrenzen. Darüber hinaus kann ein Isolator 150 zwischen dem Anodenstromkollektor 125 und dem kathodenaktiven Material 110 und der Kathodenstromkollektor 115 angeordnet sein. Der Isolator 150 kann aus einem flexiblen Material bestehen, um eine Gasexpansion innerhalb der Zelle während des Betriebs zu ermöglichen.
In Ausführungsformen kann die Energiespeichervorrichtung 100 eine alkalische Batterie oder Batteriezelle sein und kann eine beliebige Anzahl von Materialien einschließen, die solchen Zellen zugeordnet sind. Beispielsweise kann das anodenaktive Material 120 Metalle oder Metall enthaltendes Material einschließen wie beispielsweise Materialien, die schwache Metalle einschließlich der Metalle der Gruppen 12, 13, 14 und 15 einschließen, beispielsweise Aluminium, Kadmium, Quecksilber oder Zink. Das kathodenaktive Material 110 kann Materialien enthalten, die Übergangsmetalle einschließen, einschließlich Mangan, Nickel oder Silber. Beispielsweise können Kathodenverbindungen Mangandioxid einschließlich Alpha -, Beta -, Delta- oder Gamma-Mangandioxid einschließen. Beispielhafte Verbindungen können auch Nickelhydroxid, einschließlich Alpha- oder Beta-Nickelhydroxid, und Nickeloxidhydroxid einschließen. Beispielhafte Verbindungen können auch Silberhydroxid unter anderen Metalloxiden oder Hydroxiden einschließen.
Das kathodenaktive Material 110 kann auch ein Gemisch von Materialien einschließlich eines kohlenstoffhaltigen Materials enthalten. Die Separatoren 130 können ein polymeres Material wie ein Polyolefin, einschließlich Polyethylen oder Polypropylen einschließen. Der Separator 130 kann auch ein Zellulosematerial oder ein Papier einschließen. Die Energiespeichervorrichtung 100 kann einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten einschließen, der eine konzentrierte wässrige Lösung sein kann. Obwohl es als ein Elektrolyt eingeschlossen ist, kann das Kaliumhydroxid nicht an den Kathoden- und Anodenreaktionen beteiligt sein, was ausgeglichene Mengen an Hydroxid erzeugen kann. Die Separatoren 130 können eine Hydroxidionen und Wasser durch den Separator 130 diffundieren lassen, und gleichzeitig die elektrische Übertragung begrenzen. Aufgrund der Porosität des Separators 130 können Kationen wie Zink- oder Manganionen auch von den Elektroden über den Separator 130 transportiert werden, was eines oder mehrere der zuvor beschriebenen Probleme verursachen kann.
Bezug nehmend auf 2 wird eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Energiespeichervorrichtung 200 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie gezeigt. Wie dargestellt, kann die Energiespeichervorrichtung 200 eine Batteriezelle einschließen und kann mehrere Batteriezellen oder Batterien ähnlich denen einschließen, die oben mit Bezug auf 1 erörtert wurden. Die Energiespeichervorrichtung 200 ist als eine Batterie mit einer einzelnen Batteriezelle gezeigt, es versteht sich jedoch, dass Energiespeichervorrichtungen, die von der vorliegenden Technologie abgedeckt werden, eine oder mehrere Zellen bis zu Hunderten oder Tausenden von gekoppelten Zellen in einigen Mehrzellenbatterieausgestaltungen einschließen können. In ähnlicher Weise wie in 1 kann die Energiespeichervorrichtung 200 eine Batterie oder Batteriezelle veranschaulichen, und die Zelle kann einen ersten Stromkollektor 115 einschließen, der der Kathodenstromkollektor sein kann, und einen zweiten Stromkollektor 125, der der Anodenstromkollektor sein kann. Wie in 2 dargestellt, können der erste Stromkollektor 115 und der zweite Stromkollektor 125 Metallstromkollektoren sein.
Die Zelle der Energiespeichervorrichtung 200 kann auch Elektrodenkomponenten einschließen. Ein anodenaktives Material 120 kann an oder in der Nähe des zweiten Stromkollektors 125 angeordnet sein, oder diesen berühren. Ebenso kann ein kathodenaktives Material 110 auf oder in Kontakt mit dem ersten Stromkollektor 115 angeordnet sein. Beispielhafte Zellen können auch einen Separator 130 enthalten, der zwischen dem anodenaktiven Material 120 und dem kathodenaktiven Material 110 angeordnet oder positioniert ist. Ein Wasserstofffängermaterial 210 kann in eines oder beide der aktiven Materialien in Ausführungsformen integriert sein. Das Wasserstofffängermaterial 210 ist als in das kathodenaktive Material 110 integriert veranschaulicht, und in einigen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial 210 zusätzlich oder alternativ dazu, dass es in das kathodenaktive Material 120 integriert wird, in das kathodenaktive Material 110 integriert werden. Obwohl 2 mit einer zylindrischen Zellkonfiguration dargestellt ist, versteht es sich, dass das Wasserstofffängermaterial 210 in ähnlicher Weise mit einem oder mehreren der aktiven Materialien anderer Typen von Batteriezellen, wie zuvor beschrieben, integriert werden kann.
In der Batterie 400 kann das anodenaktive Material 120 ein beliebiges der zuvor mit 1 beschriebenen Materialien sein oder einschließen und kann in einigen Ausführungsformen Zink oder ein Zink enthaltendes Material einschließen. Zusätzlich kann das kathodenaktive Material 110 eines der zuvor in 1 beschriebenen Materialien sein oder einschließen und kann in Ausführungsformen zum Beispiel Blei, Kalium, Mangan, Barium, Bor oder Eisen sowie Oxide irgendeines dieser Materialien einschließen. Die Energiespeichervorrichtung 200 kann auch einen Elektrolyten mit alkalischen Eigenschaften einschließlich eines pH-Werts über 7 einschließen. Der Elektrolyt kann Wasser und Kaliumhydroxid einschließen und kann durch eine Hydroxid-Ionenkonzentration von bis zu oder etwa 0,5 M bis zu oder etwa 1 M gekennzeichnet sein, was einem pH-Wert von 14 entspricht, bis zu oder etwa 2 M, bis zu oder etwa 3 M, was einem pH-Wert von annähernd 14,5 entspricht, bis zu oder etwa 5 M, bis zu oder etwa 7 M, bis zu oder etwa 10 M, was einem pH von 15 entspricht, oder höher sein.
Der Separator kann ein Zellulose- oder Polymermaterials sein und kann Polypropylen, Polyethylen, oder ein anderes Polyolefin oder Polymer sein. Das Wasserstofffängermaterial 210 kann eine Anzahl von Materialien sein oder einschließen, die konfiguriert sein kann, um mit Wasserstofffängern innerhalb der Zelle reduziert oder gesättigt zu werden. In einigen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial 210 konfiguriert sein, um irreversibel mit Wasserstoff unter Umgebungsbedingungen zu reagieren. Das Wasserstofffängermaterial 210 kann mit Wasserstoff auf eine oder mehrere Weisen reagieren, um die freie Bewegung von Wasserstoff durch die Zelle zu begrenzen, sobald es mit dem Wasserstofffängermaterial 210 in Kontakt oder in Wechselwirkung gebracht wurde. Es ist zu beachten, dass der Begriff irreversibel eine vollständige Irreversibilität abdecken kann sowie auch Verfahren abdecken kann, in denen die Reaktion im Wesentlichen irreversibel, im Wesentlichen irreversibel, oder teilweise irreversibel ist. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen bestimmte Wasserstoffionen oder Moleküle nach der Reaktion mit dem Wasserstofffängermaterial 210 neu gebildet werden, obwohl ein Großteil der abgefangenen Wasserstoffionen dies nicht tun kann.
Das Wasserstofffängermaterial 210 kann konfiguriert sein, um mit Wasserstoffgas oder Wasserstoffmolekülen bei einer Vielzahl von Temperaturen zu interagieren, wie bei Temperaturen von mehr als oder etwa 10 °C. Das Wasserstofffängermaterial 210 kann auch konfiguriert sein, mit Wasserstoffgas oder Wasserstoffmolekülen bei Temperaturen größer oder etwa 20 °C, größer oder etwa 30 °C, größer oder etwa 40 °C, größer oder etwa 50 °C, größer oder etwa 60 °C, größer oder etwa 70 °C, größer oder etwa 80 °C oder höher zu interagieren. Das Wasserstofffängermaterial 210 kann auch zum Zusammenwirken mit Wasserstoff bei Temperaturen von weniger als oder etwa 100 °C, weniger als oder etwa 90 °C, weniger als oder etwa 80 °C, weniger als oder etwa 70 °C, weniger als oder etwa 60 °C, weniger als oder etwa 50 °C, weniger als oder etwa 40 °C, weniger als oder etwa 30 °C, weniger als oder etwa 25 °C, oder weniger konfiguriert sein, oder in einem kleineren Bereich innerhalb dieser angegebenen Bereiche, sowie anderer Bereiche zwischen genannten oder ungenannten Temperaturen innerhalb dieser Bereiche, wie beispielsweise zwischen etwa 20 °C und etwa 60 °C.
Die Temperatur, bei der das Wasserstofffängermaterial 210 mit dem Wasserstoff innerhalb der Zelle reagiert, kann so eingestellt werden, dass sie in Ausführungsformen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liegt, um den Energieverbrauch innerhalb der Zellen effektiver zu verwalten. Dies kann durch die Auswahl und Modifikation der Materialien zur Interaktion oder Reaktion oberhalb bestimmter Temperaturen basierend zum Beispiel auf Materialeigenschaften geschehen. Da bestimmte Materialien, die für den Wasserstofffänger verwendet werden, bei allen Temperaturen oder innerhalb der Zellumgebung nicht perfekt stabil sein können, kann ein bestimmtes Maß an Wechselwirkung zwischen dem Wasserstofffängermaterial und den Zellkomponenten oder der Umgebung während Perioden auftreten, in denen das Wasserstofffängermaterial aktiv ist. Folglich kann, wenn Materialien verwendet werden, die bei niedrigeren Betriebstemperaturen stabiler sind, das Wasserstofffängermaterial konfiguriert sein, bei Temperaturen von mehr als oder etwa 20 °C zu reagieren. Dies kann es dem Wasserstofffänger ermöglichen, häufiger zu arbeiten, was den Zelleninnendruck von angesammeltem Wasserstoff meistens relativ niedrig halten kann.
Außerdem kann, wenn Materialien verwendet werden, die bei höheren Temperaturen stabiler sind, das Wasserstofffängermaterial zur Reaktion bei Temperaturen von mehr als oder etwa 40 °C konfiguriert sein. Da bestimmte der Ausführungsformen eine oder mehrere elektrochemische Reaktionen oder Wechselwirkungen einschließen können, kann die Zelle unter Verwendung von Materialien, die bei höheren Temperaturen aktivieren, betrieben werden, um Wasserstoff während Ladezyklen aufzufangen und während des normalen Betriebs oder Entladung in einem inerten oder nicht reaktiven Zustand zu bleiben. Dies kann ermöglichen, dass ein Verbrauch von Batteriekapazität durch den Wasserstofffangprozess minimiert wird.
Druck kann auch als ein Mechanismus verwendet werden, durch den ein Wasserstoffauffangen durchgeführt werden kann. Zum Beispiel kann der Druck innerhalb der Batterie oder in jeder Zelle zum Beispiel von dem Batteriemanagementsystem überwacht werden. Wenn der Druck eine vorbestimmte Schwelle erreicht, wie beispielsweise aufgrund eines Wasserstoffaufbaus, kann das Wasserstofffängermaterial aktiviert werden, um den Wasserstoff zu entfernen. Dies kann die reaktive Verwendung des Wasserstofffängermaterials auf weniger Zeiträume begrenzen, um die Interaktion mit anderen Batteriekomponenten zu begrenzen. Das Wasserstofffängermaterial kann konfiguriert sein zu aktivieren, wenn der Druck innerhalb der Zelle als höher als oder etwa 0,01 bar, höher als oder etwa 0,02 bar, höher als oder etwa 0,05 bar, höher als oder etwa 0,08 bar, höher als oder etwa 0,1 bar, höher als oder etwa 0,2 bar, höher als oder etwa 0,3 bar, höher als oder etwa 0,4 bar, höher als oder etwa 0,5 bar, höher als oder etwa 0,6 bar, höher als oder etwa 0,7 bar, höher als oder etwa 0,8 bar, höher als oder etwa 0,9 bar, höher als oder etwa 1 bar, höher als oder etwa 2 bar, höher als oder etwa 3 bar, höher als oder etwa 4 bar, höher als oder etwa 5 bar, höher als oder etwa 6 bar, höher als oder etwa 7 bar, höher als oder etwa 8 bar, höher als oder etwa 9 bar, höher als oder etwa 10 bar, oder höher bestimmt wird.
Abhängig von der Menge an Wasserstoff, von der vorhergesagt wird, dass sie durch die Zelle erzeugt wird, der Größe der Zelle, der Menge an Wasserstofffängermaterial oder an Materialien, die für das Wasserstofffängermaterial verwendet werden, kann das Wasserstofffängermaterial durch eine volumetrische Kapazität für Wasserstoff gekennzeichnet sein, die größer oder etwa gleich 1 g/L ist. In einigen Ausführungsformen kann das Material durch eine Kapazität für Wasserstoff von mehr als oder etwa 2 g/L, mehr als oder etwa 4 g/L, mehr als oder etwa 6 g/L, mehr als oder etwa 8 g/L, mehr als oder etwa 10 g/L, mehr als oder etwa 15 g/L, mehr als oder etwa 20 g/L, mehr als oder etwa 25 g/L, mehr als oder etwa 30 g/L, mehr als oder etwa 35 g/L, mehr als oder etwa 40 g/L, mehr als oder etwa 45 g/L, mehr als oder etwa 50 g/L, mehr als oder etwa 55 g/L, mehr als oder etwa 60 g/L, mehr als oder etwa 65 g/L, mehr als oder etwa 70 g/L, mehr als oder etwa 75 g/L, mehr als oder etwa 80 g/L, mehr als oder etwa 85 g/L, mehr als oder etwa 90 g/L, mehr als oder etwa 95 g/L, mehr als oder etwa 100 g/L oder mehr gekennzeichnet sein.
Da das Wasserstofffängermaterial zumindest teilweise mit Materialien innerhalb einer Batteriezelle reaktionsfähig sein kann, können Materialien für das Wasserstofffängermaterial ausgewählt werden, um die Reaktivität mit Komponenten, in denen es in Kontakt ist, zu reduzieren oder einzuschränken. Zum Beispiel kann das Wasserstofffängermaterial auch in das anodenaktive Material in Ausführungsformen integriert sein. Das Wasserstofffängermaterial kann konfiguriert sein, dass die Reaktivität mit den Anodenmaterialien oder mit Materialien innerhalb der Zelle begrenzt ist, wenn sich das Wasserstofffängermaterial auf Anodenbetriebspotential befindet. Beispielsweise können, abhängig vom pH-Wert innerhalb der Zelle, beispielhafte Anodenmaterialien bei einem Potential von zwischen etwa 0 V und etwa -1 V betrieben werden. Das Wasserstofffängermaterial kann konfiguriert sein, im Wesentlichen inert gegenüber dem Elektrolyt innerhalb dieses Potentialbereichs zu bleiben. Zusätzlich kann das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert sein, dass es die Wasserstoffproduktion an der Anode während eines beliebigen Zeitraums oder über die Lebensdauer der Batterie um weniger als oder etwa 5 g/L erhöht, und kann konfiguriert sein, die Wasserstoffproduktion an der Anode um weniger als oder etwa 3 g/L, weniger als oder etwa 1 g/L, weniger als oder etwa 0,5 g/L, weniger als oder etwa 0,1 g/L, weniger als oder etwa 0,05 g/L, weniger als oder etwa 0,01 g/L, weniger als oder etwa 0,005 g/L, weniger als oder etwa 0,001 g/L oder weniger zu erhöhen.
Darüber hinaus kann das Wasserstofffängermaterial auch in das kathodenaktive Material in Ausführungsformen integriert sein. Das Wasserstofffängermaterial kann konfiguriert sein, um die Reaktivität mit den Kathodenmaterialien oder mit Materialien innerhalb der Zelle zu begrenzen, wenn sich das Wasserstofffängermaterial auf dem Kathodenbetriebspotential befindet. Beispielsweise können, abhängig vom pH-Wert innerhalb der Zelle, beispielhafte Kathodenmaterialien bei einem Potential von zwischen etwa 0,5 V und etwa 1,5 V betrieben werden. Das Wasserstofffängermaterial kann konfiguriert sein, im Wesentlichen inert gegenüber dem Elektrolyt innerhalb dieses Potential zu bleiben. Darüber hinaus kann das Wasserstofffängermaterial konfiguriert sein, die Sauerstoffproduktion an der Kathode um weniger als oder etwa 5 g/L während einer beliebigen Zeitdauer oder über die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen, und kann ausgebildet sein, die Sauerstoffproduktion an der Kathode um weniger als oder etwa 3 g/L, weniger als oder etwa 1 g/L, weniger als oder etwa 0,5 g/L, weniger als oder etwa 0,1 g/L, weniger als oder etwa 0,05 g/L, weniger als oder etwa 0,01 g/L, weniger als oder etwa 0,005 g/L, weniger als oder etwa 0,001 g/L oder weniger zu erhöhen.
Das Wasserstofffängermaterial kann eine Anzahl von Komponenten einschließen, und in einigen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial mindestens zwei Materialien enthalten. Zum Beispiel kann das Wasserstofffängermaterial ein Basismaterial und einen Katalysator einschließen, um die Hydrierung zu fördern. Das Basismaterial kann ein Polymer, ein Kohlenstoff enthaltendes Material, oder ein beliebiges anderes Material einschließen, dass in der Lage ist, Wasserstoff in seiner Struktur aufzunehmen, oder kann in der Lage sein, eine modifizierte Struktur durch Reaktion mit Wasserstoff auf eine oder mehrere Weisen herzustellen. Das Katalysatormaterial kann eines oder mehrere Metalle oder Materialien einschließen, die Wasserstoff und das Basismaterial adsorbieren können oder in Wechselwirkung mit den Materialien treten können, um die Hydrierung der Basismaterialien zu erleichtern. Zum Beispiel kann der Katalysator in Wechselwirkung mit den Basismaterialien treten, wie zum Beispiel durch Adsorption oder eine chemische Reaktion wie Chemisorption, und kann Metallhydride ausbilden oder anderweitig auch Wasserstoff auf der Oberfläche des Katalysators aufnehmen. Der Wasserstoff kann dann zu den Basismaterialien überführt werden, oder die beiden können reagieren.
In einigen Ausführungsformen kann der Katalysator kann ein homogener Katalysator oder an ein heterogener Katalysator sein. Beispielsweise können heterogene Katalysatoren Metall enthaltende Materialien sein oder einschließen, die in Kontakt mit oder in Verbindung mit den Basismaterialien stehen. Zum Beispiel können Teilchen, die Mikropartikel und Nanopartikel aus Metall enthaltenden Materialien einschließen, in die Basismaterialien innerhalb eines oder beider der aktiven Materialien innerhalb der Zelle eingeschlossen sein. Die Katalysatormaterialien können Übergangsmetalle zusammen mit anderen Metallen oder metallhaltigen Materialien einschließen. Beispielhafte Metalle zur Verwendung in Katalysatoren gemäß der vorliegenden Technologie schließen Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Lanthan, Titan, Vanadium und andere Übergangsmetalle ein. Die Katalysatormaterialien können auch Metall enthaltende Materialien einschließlich eines der genannten Metalle einschließen und können eine Kombination von beliebigen dieser Metalle allein oder mit anderen Materialien einschließen. Kombinationen können Nickellegierungen mit einem oder mehreren Lanthanidmetallen einschließlich Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium und Samarium einschließen, die in Kombination in verschiedenen Formen von Mischmetallen oder Mischmetalllegierungen, wie Legierungen mit Nickel, vorliegen können. Andere Materialien in der Kombination können aus der Stickstoffgruppe oder Gruppe 15 des Periodensystems, der Sauerstoffgruppe oder Gruppe 16 des Periodensystems, oder der Halogengruppe oder Gruppe 17 des Periodensystems stammen, sowie andere Kohlenwasserstoffe oder Materialien, die in katalytischen Materialien für die Hydrierung oder andere katalysatorbasierten Reaktionen verwendet werden. Zusätzliche Materialien können jede Verbindung oder jedes Material sein, von denen bekannt ist, dass sie Wasserstoff absorbieren.
Das Basismaterial kann ein beliebiges Material einschließen, das Wasserstoff in die Struktur aufnehmen kann, was das Rückhalten des Wasserstoff oder Einfangen der Wasserstoff einschließen kann, ebenso wie eine Reduzierung des Materials zur Reaktion mit dem und Integration des Wasserstoff innerhalb der Struktur einschließen kann. Zum Beispiel kann das Basismaterial in einigen Ausführungsformen ein Kohlenstoff enthaltendes Material sein oder einschließen, das Polymere oder Allotrope aus Kohlenstoff enthalten kann. Zum Beispiel kann jedes Allotrop aus Kohlenstoff als Gerüst für Katalysatormaterial verwendet werden, wie Graphen, das dotiertes Graphen, Graphit oder andere Kohlenstoffallotrope enthält. Aktivkohle kann verwendet werden, was aktiviert worden sein kann zur Erhöhung der Reaktivität mit Wasserstoff, zum Beispiel. Kohlenwasserstoffe und Polymere mit Kohlenstoff können in Ausführungsformen verwendet werden, und die Materialien können Strukturen einschließen, die eine oder mehrere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen einschließen.
In einigen Ausführungsformen kann der Wasserstoff von dem Katalysator durch Reduzieren der Anzahl der Doppelbindungen oder Dreifachbindungen in dem Basismaterial übertragen werden. Die Materialien können Alkene, Alkine, Aldehyde, Ester, Amide, Ketone, Nitrile, aromatische Materialien oder jedes beliebige Material einschließlich mindestens einer Kohlenstoff-Doppel- oder Dreifachbindung, Stickstoff-Doppel- oder Dreifachbindung oder jede Bindungsanordnung einschließen, die in der Lage ist, ein oder mehrere Wasserstoffe aufzunehmen. Einige der verwendeten Materialien können in Ausführungsformen leitend sein, und können als leitende Zusatzstoffe sowie Wasserstofffängermaterialien verwendet werden. Zum Beispiel können kathodenaktive Materialien ein oder mehrere leitfähige Additive einschließen, und in Ausführungsformen können die Mengen oder Typen der integrierten leitfähigen Additive unter Verwendung von leitenden Wasserstofffängermaterialien innerhalb der kathodenaktiven Materials reduziert werden.
Die Basismaterialien und Katalysatormaterialien können eine beliebige Anzahl von Formen annehmen, basierend auf den Weisen, auf die die Materialien integriert werden. Unter Bezugnahme auf 3A-3B sind schematische Darstellungen von Wasserstofffängermaterialien 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie gezeigt. Die Wasserstofffängermaterialien 300 können beliebige der Materialien, Komponenten oder Eigenschaften einschließen, wie zuvor erörtert. Wie in den Figuren dargestellt ist, kann das Wasserstofffängermaterial 300 ein Basismaterial 310 und ein Katalysatormaterial 320 einschließen. Die verwendeten Materialien können beliebige der zuvor beschriebenen Materialien sein oder einschließen.
Wie in 3A dargestellt kann das Wasserstofffängermaterial 300a ein Basismaterial 310a und ein Katalysatormaterial 320a einschließen. Die Materialien können im Allgemeinen einander zugeordnet, miteinander in irgendeiner Weise verbunden, oder auf andere Weise gekoppelt sein. Das Wasserstofffängermaterial kann dem aktiven Material von jeder der Elektroden zugemischt sein, oder auf einer oder mehreren Oberflächen des aktiven Elektrodenmaterials aufgebracht werden. Wie in 3B dargestellt kann der Wasserstofffänger 300b ein Basismaterial 310b und ein Katalysatormaterial 320b einschließen.
Das Basismaterial 310b kann durch eine spezielle Struktur gekennzeichnet sein, während das Basismaterial 310a dies nicht sein kann. Zum Beispiel kann das Basismaterial 310a eine Menge von Kohlenwasserstoff enthaltendem Material sein, und das Basismaterial 310b auf kann aus Folien oder Graphenflocken bestehen. Das Basismaterial 3 10b kann eine Menge an Katalysatormaterial 320b aufweisen, das mit dem Basismaterial in Kontakt steht oder mit diesem interagiert. Beispielsweise kann der Katalysator relativ gleichmäßig über das Basismaterial 310b verteilt sein, wie dargestellt, oder die beiden können zufälliger gekoppelt sein. Der Katalysator kann durch das Basismaterial 310 getragen werden, und es kann eine Adsorption zwischen den Materialien auftreten. Im Betrieb kann, wenn in der Zelle freigesetzter Wasserstoff mit den Wasserstofffängermaterialien wechselwirkt, der Wasserstoff an der Oberfläche der Katalysatormaterialien adsorbieren und dann auf eine der zuvor beschriebenen Weisen auf das Basismaterial übertragen werden.
Die Wasserstofffängermaterialien der vorliegenden Technologie können auch in andere Komponenten von Batterien gemäß der vorliegenden Technologie integriert werden, wie mit Bezug auf die verbleibenden Figuren erörtert wird. 4A-4B zeigen schematische Querschnittsansichten von Komponenten eines Energiespeichers 400 nach Ausführungsformen der vorliegenden Technologie. Die Energiespeichervorrichtung kann eine Batteriezelle sein oder einschließen, die in irgendeiner der zuvor beschriebenen Batterien oder Zellstrukturen integriert sein kann, und kann irgendeine der Komponenten, Materialien oder Eigenschaften einschließen, die zuvor erörtert wurden. Die Batteriezelle 400 kann ein beispielhaftes kathodenaktives Material 410 und ein beispielhaftes anodenaktives Material 420 veranschaulichen. Zwischen den beiden aktiven Materialien und diese elektrisch voneinander trennend kann ein Separator 430 angeordnet sein. Der Separator 430 kann ein herkömmlicher Separator sein, der einen Polymer-, Zellulose- oder Papierabscheider einschließt. Obwohl die Stromkollektoren nicht beschrieben sind, kann jeder der zuvor beschriebenen Stromabnehmer mit der Batteriezelle 400 verwendet werden.
Die Energiespeichervorrichtung 400 kann auch ein Wasserstofffängermaterial 440 einschließen, das in Verbindung mit dem Separator 430 eingeschlossen sein kann. Das Wasserstofffängermaterial 440 kann ein beliebiges der zuvor beschriebenen Materialien, Komponenten oder Charakteristika sein oder einschließen und kann in Ausführungsformen ein Basismaterial und einen geträgerten Katalysator einschließen. Wie in den Figuren veranschaulicht, kann das Wasserstofffängermaterial 440 in Kontakt mit dem Separator auf eine oder mehrere Weisen eingeschlossen sein. 4A veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der ein Wasserstofffängermaterial 440a in den Separator 430a integriert ist. In Ausführungsformen kann der Separator 430a eines oder mehrere Polymermaterialien sein oder einschließen, die beliebige der oben beschriebenen Polymermaterialien oder andere Basismaterialien einschließen können. In einigen Ausführungsformen kann jeder der Separatoren eine Mischung aus Polymermaterialien oder anderen erwähnten Materialien sein oder einschließen, einschließlich jedes der zuvor beschriebenen Separatormaterialien und Basismaterialien. Der Separator kann dann auch ein Katalysatormaterial innerhalb der Struktur tragen.
4B veranschaulicht eine Ausführungsform, die zusätzlich zu oder als eine Alternative zu der Konfiguration von 4A oder irgendeiner der vorhergehenden Figuren verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann das Wasserstofffängermaterial 440b als eine Schicht integriert sein, die auf oder bei dem Separator 430b angeordnet ist. Die Schicht Wasserstofffängermaterial 440b kann an einer oder beiden Seiten des Separators 430b eingeschlossen sein und kann auch in Kontakt mit einem oder beiden von dem aktiven Materialien stehen. In diesen Beispielen kann, wenn Wasserstoff durch die Zelle strömt und den Separator kontaktiert, der Wasserstoff in den Separator oder irgendeines der im Separator enthaltenen Basismaterialien integriert werden.
5A-5B zeigen schematische Querschnittsansichten einer Energiespeichervorrichtung 500 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie. Wie dargestellt kann die Energiespeichervorrichtung 500 eine Batterie einschließen und kann mehrere Batteriezellen oder Batterien ähnlich denen einschließen, die oben mit Bezug auf irgendeine der vorhergehenden Figuren erörtert wurden. Die Energiespeichervorrichtung 500 ist als eine Batterie mit einer einzelnen Batteriezelle gezeigt, es versteht sich jedoch, dass Energiespeichervorrichtungen, die von der vorliegenden Technologie abgedeckt werden, eine oder mehrere Zellen bis zu Hunderten oder Tausenden von gekoppelten Zellen in einigen Mehrzellenbatterieentwürfen einschließen können. In ähnlicher Weise wie in den 1 und 2 kann die Energiespeichervorrichtung 500 eine Batterie oder Batteriezelle darstellen, und die Zelle kann einen ersten Stromkollektor 115 einschließen, der der Kathodenstromkollektor sein kann, und einen zweiten Stromkollektor 125 einschließen, der der Anodenstromkollektor sein kann. Wie in 5 dargestellt, können der erste Stromkollektor 115 und der zweite Stromkollektor 125 Metallstromkollektoren sein.
Die Zelle der Energiespeichervorrichtung 500 kann auch Elektrodenkomponenten einschließen. Ein anodenaktives Material 120 kann an oder in der Nähe des zweiten Stromkollektors 125 angeordnet sein, oder diesen berühren. Ebenso kann ein kathodenaktives Material 110 auf oder in Kontakt mit dem ersten Stromkollektor 115 angeordnet sein. Beispielhafte Zellen können auch einen Separator 130 enthalten, der zwischen dem anodenaktiven Material 120 und dem kathodenaktiven Material 110 angeordnet oder positioniert ist. Ein Wasserstofffängermaterial 510 kann ebenfalls in die Batterie integriert werden. Das Wasserstofffängermaterial 510 kann dem Stromkollektor 115 oder einer Innenfläche des Batteriegehäuses 105, das zuvor beschrieben wurde, zugeordnet oder damit gekoppelt sein. Wie in den Figuren veranschaulicht, kann das Wasserstofffängermaterial 510 an einer oder mehreren Stellen innerhalb der Zelle eingeschlossen sein.
5A zeigt die Batterie 500a, die Wasserstofffängermaterial 510a einschließt, das entlang einer Innenfläche des Stromkollektors 115 positioniert ist. Das Wasserstofffängermaterial 510a kann entlang einer gesamten Länge des Stromkollektors positioniert sein, in dem aktives Material angeordnet ist, oder kann an getrennten Stellen eingeschlossen sein. Das Wasserstofffängermaterial 510a kann durch ein beliebiges der zuvor beschriebenen Materialien und Eigenschaften gekennzeichnet sein und in Ausführungsformen ein Basismaterial und ein Katalysatormaterial einschließen. Wenn es entlang des äußeren Stromkollektors eingeschlossen ist, kann in einigen Ausführungsformen ein leitendes Basismaterial verwendet werden, obwohl in anderen Ausführungsformen jedes der zuvor beschriebenen Materialien verwendet werden kann.
5B zeigt die Batterie 500b mit entlang einer inneren Oberfläche, die zu einem Batteriegehäuse 105 oder ein Abschnitt oder ein Stromkollektor 115 gehören kann, angeordnetem Wasserstofffängermaterial 510b, auf dem kein Aktivmaterial angeordnet sein kann, und das als Teil des Batteriegehäuses dienen kann. 5B zeigt nur einen Ort, an dem Wasserstofffängermaterial 510b angeordnet sein kann, und es versteht sich, dass das Wasserstofffängermaterial 510b an jeder Stelle um die Zelle herum eingeschlossen sein kann, wo es mit in der Zelle erzeugtem Wasserstoff wechselwirken kann. Je nach der Position kann ein isolierenderes Wasserstofffängermaterial 510b in einigen Ausführungsformen genutzt werden. Zum Beispiel kann an Positionen, an denen zusätzliche Isolierung eingeschlossen sein kann, die Isolierung durch Wasserstofffängermaterial 510b ersetzt oder ergänzt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Wasserstofffängermaterial jedes der zuvor beschriebenen Materialien einschließen. Durch Verwendung von Wasserstofffängermaterialien gemäß der vorliegenden Technologie kann die Zykluslebensdauer von Batterien verbessert werden, indem Materialien verwendet werden, die den Wasserstoffaufbau innerhalb der Zelle reduzieren.
In der vorangehenden Beschreibung wurden zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche Details dargelegt, um ein Verständnis verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Technologie bereitzustellen. Es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass einige Ausführungsformen ohne manche dieser spezifischen Details ausgeführt werden können.
Da nun mehrere Ausführungsformen offenbart wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen, alternative Ausgestaltungen und Äquivalente verwendet werden können, ohne vom Gedanken und Gebiet der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich wurde eine Anzahl von bekannten Verfahren und Elementen nicht beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Dementsprechend sollte die obige Beschreibung nicht als Einschränkung des Umfangs der Technologie betrachtet werden.
Wo ein Wertebereich vorgesehen ist, versteht es sich, dass jeder Zwischenwert, bis zu dem kleinsten Bruchteil der Einheit der unteren Grenze, sofern nicht der Kontext klar etwas anderes angibt, zwischen den oberen und unteren Grenzen dieses Bereichs auch spezifisch offenbart ist. Jeder engere Bereich zwischen irgendwelchen angegebenen Werten oder nicht angegebenen Zwischenwerten in einem angegebenen Bereich und jedem anderen angegebenen oder dazwischenliegenden Wert in diesem angegebenen Bereich ist abgedeckt. Die oberen und unteren Grenzen dieser kleineren Bereiche können unabhängig in den Bereich eingeschlossen oder ausgeschlossen werden, und jeder Bereich, in dem entweder, keine oder beide Grenzen in den kleineren Bereichen enthalten sind, ist ebenfalls in der Technologie eingeschlossen, vorbehaltlich irgendeiner speziell ausgeschlossenen Grenze in dem angegebenen Bereich. Wenn der genannte Bereich einen oder beide der Grenzen einschließt, sind auch Bereiche, die einen oder beide dieser eingeschlossenen Grenzwerte ausschließen ebenfalls eingeschlossen. Wenn mehrere Werte in einer Liste bereitgestellt werden, ist jeder Bereich, der einen dieser abdeckt oder darauf beruht, ebenfalls spezifisch offenbart.
Wie hierin und in den angefügten Patentansprüchen verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch Pluralverweise ein, sofern der Kontext nicht klar etwas anderes vorschreibt. Somit schließt zum Beispiel eine Bezugnahme auf „ein Material“ eine Vielzahl solcher Materialien ein, und die Bezugnahme auf „die Zelle“ schließt die Bezugnahme auf eine oder mehrere Zellen und Äquivalente davon, die dem Fachmann bekannt sind, ein, und so weiter.
Außerdem sind die Begriffe „umfassen/-t“, „umfassend“, „enthalten/enthält“, „enthaltend“, „einschließen/schließt ein“ und „einschließlich“, wo sie in dieser Patentschrift und in den folgenden Ansprüchen verwendet werden, angelegt, um das Vorliegen von angegebenen Merkmalen, Intern, Komponenten oder Operationen zu spezifizieren; sie schließen jedoch nicht das Vorliegen oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Integer, Komponenten, Operationen, Handlungen oder Gruppen aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62536056 [0001]

Claims

Batterie, umfassend: einen ersten Stromkollektor; ein anodenaktives Material, das mit dem ersten Stromkollektor gekoppelt ist; einen zweiten Stromkollektor; ein kathodenaktives Material, das mit dem zweiten Stromkollektor gekoppelt ist; und einen Separator, der zwischen dem anodenaktiven Material und dem kathodenaktiven Material positioniert ist; ein Wasserstofffängermaterial, das in das anodenaktive Material oder das kathodenaktive Material integriert ist, wobei das Wasserstofffängermaterial Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa 20 °C absorbiert.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert ist, dass es mit Wasserstoff bei einem Druck von mehr als oder etwa 0,1 bar reagiert.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial konfiguriert ist, mit Wasserstoff bei einer Temperatur oberhalb von oder etwa 40 °C zu reagieren.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial durch eine volumetrische Kapazität für Wasserstoff von mehr als oder etwa 10 g/L gekennzeichnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das anodenaktive Material ein Zink enthaltendes Material umfasst, und wobei das kathodenaktive Material ein Mangan enthaltendes Material, ein Nickel enthaltendes Material, oder ein Silber enthaltendes Material umfasst.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial ein Basismaterial und einen Katalysator umfasst.
Batterie nach Anspruch 6, wobei das Basismaterial ein Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst.
Batterie nach Anspruch 7, wobei das kohlenstoffhaltige Material ein Allotrop von Kohlenstoff umfasst.
Batterie nach Anspruch 7, wobei das Kohlenstoff enthaltende Material ein Polymer umfasst, das durch eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen oder ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung gekennzeichnet ist.
Batterie nach Anspruch 6, wobei der Katalysator ein Metall enthaltendes Material umfasst und wobei das Metall enthaltende Material ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Iridium, Nickel, Platin, Lanthan, Titan, Cer, Palladium, Rhodium und Ruthenium.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert ist, dass es im Wesentlichen inert gegenüber dem Elektrolyten bei dem Betriebspotential des aktiven Anodenmaterials oder des aktiven Kathodenmaterials bleibt, in das der Wasserstofffänger integriert ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial in das kathodenaktive Material integriert ist und wobei das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert ist, dass es die Sauerstoffproduktion an der Kathode um weniger als oder etwa 1 g/L erhöht.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das Wasserstofffängermaterial in das anodenaktive Material integriert ist und wobei das Wasserstofffängermaterial so konfiguriert ist, dass es die Wasserstoffproduktion an der Anode um weniger als oder etwa 1 g/L erhöht.
Batteriezelle, umfassend: ein anodenaktives Material; ein kathodenaktives Material; einen Separator, der zwischen dem anodenaktiven Material und dem kathodenaktiven Material positioniert ist; und und ein Wasserstofffängermaterial, das mit dem Separator in Kontakt steht, wobei das Wasserstofffängermaterial Wasserstoff bei einer Temperatur von mehr als oder etwa 20 °C absorbiert.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei das Wasserstofffängermaterial auf einer Oberfläche des Separators angeordnet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei das Wasserstofffängermaterial in den Separator integriert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei das anodenaktive Material ein Zink enthaltenden Material umfasst und wobei das Kathodenmaterial ein Mangan enthaltendes Material, ein Nickel enthaltendes Material oder ein Silber enthaltendes Material umfasst.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei das Wasserstofffängermaterial ein Basismaterial und einen geträgerten Katalysator umfasst.
Batterie, umfassend: ein Batteriegehäuse, das durch eine Innenfläche und eine Außenfläche gekennzeichnet ist; einen ersten Stromkollektor; ein anodenaktives Material, das mit dem ersten Stromkollektor gekoppelt ist; einen Separator, der zwischen dem Anodenmaterial und dem Kathodenmaterial positioniert ist; einen zweiten Stromkollektor; ein kathodenaktives Material, das mit dem zweiten Stromkollektor gekoppelt ist; und und ein Wasserstofffängermaterial, das entlang der Innenfläche des Batteriegehäuses positioniert ist, wobei das Wasserstofffängermaterial Wasserstoff bei einer Temperatur über oder etwa 20 °C absorbiert.
Batteriezelle nach Anspruch 19, wobei das Wasserstofffängermaterial ein Kohlenstoff enthaltendes Material und einen Katalysator umfasst.