RU2013155897A - Перезаряжаемые электроды из щелочных и щелочноземельных металлов с управляемым ростом дендритов и способы их изготовления и применения - Google Patents

Abstract

1. Сепаратор электродов, содержащий:электроизолирующий барьерный элемент, имеющий обращенную к аноду сторону и обращенную к катоду сторону; ислой функционализированных наноуглеродных частиц, прилипших к обращенной к аноду стороне электроизолирующего барьерного элемента; ипри этом функционализированные наноуглеродные частицы функционализированы ионно-связанными катионами металла для затравки роста дендритов.2. Сепаратор по п. 1, при этом функционализированные наноуглеродные частицы выбраны из группы, включающей углеродную сажу, графен, графит, нанографит, аморфный углерод и их комбинации.3. Сепаратор по п. 1, при этом катионы металла ионно связываются с функциональной группой, выбранной из группы, включающей сульфонат, карбоксилат, третичный амин, соль диазония и их комбинации.4. Сепаратор по п. 1, при этом электроизолирующий барьерный элемент проницаем для органического электролита, содержащего соли металла.5. Сепаратор по п. 4, при этом металл выбран из группы, включающей литий, натрий, калий, кальций, магний и их комбинации.6. Элемент батареи с металлическим литием, содержащий:среду электролита;катод, размещенный в среде электролита;литийсодержащий анод, размещенный в среде электролита и отделенный от катода;сепаратор, имеющий обращенную к аноду сторону и обращенную к катоду сторону, расположенный между литийсодержащим анодом и катодом; имножество функционализированных литием наноуглеродных частиц, функционально присоединенных к обращенной к аноду стороне сепаратора;при этом сепаратор является электроизолирующим и электролитически проницаемым.7. Элемент батареи по п. 6, при этом множество дендритов пр�

Claims (33)

1. Сепаратор электродов, содержащий:

электроизолирующий барьерный элемент, имеющий обращенную к аноду сторону и обращенную к катоду сторону; и

слой функционализированных наноуглеродных частиц, прилипших к обращенной к аноду стороне электроизолирующего барьерного элемента; и

при этом функционализированные наноуглеродные частицы функционализированы ионно-связанными катионами металла для затравки роста дендритов.

2. Сепаратор по п. 1, при этом функционализированные наноуглеродные частицы выбраны из группы, включающей углеродную сажу, графен, графит, нанографит, аморфный углерод и их комбинации.

3. Сепаратор по п. 1, при этом катионы металла ионно связываются с функциональной группой, выбранной из группы, включающей сульфонат, карбоксилат, третичный амин, соль диазония и их комбинации.

4. Сепаратор по п. 1, при этом электроизолирующий барьерный элемент проницаем для органического электролита, содержащего соли металла.

5. Сепаратор по п. 4, при этом металл выбран из группы, включающей литий, натрий, калий, кальций, магний и их комбинации.

6. Элемент батареи с металлическим литием, содержащий:

среду электролита;

катод, размещенный в среде электролита;

литийсодержащий анод, размещенный в среде электролита и отделенный от катода;

сепаратор, имеющий обращенную к аноду сторону и обращенную к катоду сторону, расположенный между литийсодержащим анодом и катодом; и

множество функционализированных литием наноуглеродных частиц, функционально присоединенных к обращенной к аноду стороне сепаратора;

при этом сепаратор является электроизолирующим и электролитически проницаемым.

7. Элемент батареи по п. 6, при этом множество дендритов простираются от литийсодержащего анода к сепаратору, и множество дендритов простираются от обращенной к аноду стороны сепаратора к литийсодержащему аноду.

8. Элемент батареи по п. 7, при этом множество дендритов объединяются в среде электролита и обладают приблизительно нулевой разностью потенциалов.

9. Элемент батареи по п. 8, при этом множество дендритов образуют вторичный слой металлического лития.

10. Элемент батареи по п. 6, при этом элемент батареи является элементом монетного типа.

11. Элемент батареи по п. 6, при этом элемент батареи является перезаряжаемым.

12. Элемент батареи по п. 6, при этом элемент батареи является симметричным.

13. Устройство для продления срока службы батареи, содержащее:

электрод, имеющий металлическую часть, причем эта металлическая часть выбрана из группы, включающей литий, кальций, магний, натрий, калий и их комбинации;

проницаемую для электролита мембрану; и

затравочный материал для роста дендритов металла, расположенный между электродом и мембраной;

при этом электрод, мембрана и затравочный материал для роста дендритов металла размещены в матрице электролита и;

при этом по меньшей мере один дендрит простирается от электрода к проницаемой для электролита мембране, объединяется с по меньшей мере одним дендритом, простирающимся от затравочного материала для роста дендритов.

14. Устройство по п. 13, при этом затравочный материал для роста дендритов металла представляет собой множество функционализированных металлом углеродных наночастиц, и при этом металл выбран из группы, включающей литий, кальций, магний, натрий, калий и их комбинации.

15. Устройство по п. 13, при этом дендриты, простирающиеся от электрода, и дендриты, простирающиеся от затравочного материала для роста дендритов, объединяются, образуя вторичную металлическую часть.

16. Способ продления срока службы батареи, включающий:

а) размещение затравочного материала для роста дендритов в растворе электролита, расположенном между металлсодержащим электродом и проницаемой для электролита мембраной сепаратора;

b) выращивание дендритов металла из затравочного материала для роста литиевых дендритов к литийсодержащему электроду; и

с) контактирование дендритов металла, простирающихся от металлсодержащего электрода, с дендритами металла, простирающимися от затравочного материала для роста дендритов металла;

при этом электролит содержит ионы металла.

17. Способ по п. 16, при этом контакт между литиевыми дендритами, простирающимися от литийсодержащего электрода, и литиевыми дендритами, простирающимися от затравочного материала для роста литиевых дендритов, практически останавливает рост контактирующих литиевых дендритов вдоль главной оси.

18. Способ по п. 16, дополнительно включающий:

d) переплетение литиевых дендритов, простирающихся от литийсодержащего электрода, с литиевыми дендритами, простирающимися от затравочного материала для роста литиевых дендритов; и

е) образование слоя лития из переплетенных литиевых дендритов.

19. Способ получения затравочного материала сепаратора для роста дендритов, включающий:

а) выявление углеродной поверхности сепаратора;

b) функционализирование углеродной поверхности сепаратора содержащей химически связанный анион структурой;

с) введение нейтральной соли металла к функционализированной углеродной поверхности сепаратора;

d) реагирование нейтральной соли с образованием катиона металла и аниона; и

е) прикрепление катиона металла к химически связанному

аниону.

20. Способ по п. 19, при этом металл выбирают из группы, включающей литий, кальций, магний, натрий, калий и их комбинации.

21. Способ по п. 20, при этом катион металла слабо связан с химически связанным анионом.

22. Способ управления ростом дендритов металла в элементе батареи, включающий:

а) определение желаемой величины порометрии для электролитной мембраны;

b) придание электролитной мембране этой величины порометрии;

с) прививание затравочного материала для роста дендритов на электролитную мембрану;

d) привнесение градиента катионов металла от металлического электрода через электролитную мембрану;

е) иммобилизирование части катионов металла на обращенной к электроду поверхности электролитной мембраны; и

f) способствование направленному росту дендритов на обращенной к мембране стороне электрода и на обращенной к электроду стороне мембраны.

23. Способ по п. 22, дополнительно включающий предотвращение роста дендритов в направлении, лежащем в плоскости электролитной мембраны, до тех пор, пока дендрит электрода не объединится с дендритом мембраны.

24. Способ по п. 22, при этом электролитная мембрана является избирательно проницаемой.

25. Способ по п. 24, при этом электролитная мембрана включает в себя слой функционализированных наноуглеродных частиц.

26. Способ получения электролитной полимерной мембраны, включающий:

смешивание источника дисперсного углерода с множеством растворителей с образованием суспензии;

выявление связующего элемента, чтобы повлиять на адгезию суспендированных углеродных частиц к проницаемой мембране;

нанесение связующего элемента на проницаемую мембрану с образованием адгезивной мембраны;

нанесение суспензии на адгезивную мембрану; и

образование границы раздела между суспензией.

27. Способ по п. 26, при этом суспензия представляет собой множество функционализированных наноуглеродных частиц.

28. Способ по п. 26, при этом углеродное вещество выбирают из группы, включающей углеродную сажу, графен, графит, нанографит, аморфный углерод и их комбинации.

29. Способ по п. 26, при этом связующий элемент и электролитная полимерная мембрана имеют практически аналогичный химический состав.

30. Способ по п. 26, при этом нанесение суспензии выполняют методом, выбранным из группы, включающей горячее прессование, распыление, нанесение ракелем, нанесение кистью и их комбинации.

31. Способ по п. 26, при этом суспензия является равномерно диспергированной.

32. Способ по п. 26, дополнительно включающий поддерживание адгезии суспензии с помощью связующего элемента.

33. Способ управления ростом дендритов металла в электрохимической ячейке, включающий:

а) покрывание электролитически проницаемой и электроизолирующей мембраны нереакционноспособным металлическим покрытием;

b) функционализирование нереакционноспособного металлического покрытия с получением функционализированного нереакционноспособного металлического покрытия;

с) размещение раствора электролита между электродом и функционализированным нереакционноспособным металлическим покрытием;

d) привнесение градиента катионов металла от металлического электрода через электролитически проницаемую и электроизолирующую мембрану;

е) иммобилизирование части катионов металла на функционализированном нереакционноспособном металлическом покрытии; и

f) способствование направленному росту дендритов через раствор электролита от электрода и от мембраны.