RU2740794C1 - Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней - Google Patents

Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней Download PDF

Info

Publication number
RU2740794C1
RU2740794C1 RU2019128249A RU2019128249A RU2740794C1 RU 2740794 C1 RU2740794 C1 RU 2740794C1 RU 2019128249 A RU2019128249 A RU 2019128249A RU 2019128249 A RU2019128249 A RU 2019128249A RU 2740794 C1 RU2740794 C1 RU 2740794C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
cathode
anode
electrolyte
lithium
Prior art date
Application number
RU2019128249A
Other languages
English (en)
Inventor
Ричард У. ВЭНГ
Мауро ПАСТА
Оливия РИССЕТ
Чиэнь-Фань ЧЭНЬ
Original Assignee
Кьюберг, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Кьюберг, Инк. filed Critical Кьюберг, Инк.
Application granted granted Critical
Publication of RU2740794C1 publication Critical patent/RU2740794C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0422—Cells or battery with cylindrical casing
    • H01M10/0427—Button cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40—Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405—Alloys based on lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/46—Alloys based on magnesium or aluminium
    • H01M4/466—Magnesium based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/117—Inorganic material
    • H01M50/119—Metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/183—Sealing members
    • H01M50/186—Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/183—Sealing members
    • H01M50/19—Sealing members characterised by the material
    • H01M50/191—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/60—Liquid electrolytes characterised by the solvent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0045—Room temperature molten salts comprising at least one organic ion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0054—Halogenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/494—Tensile strength
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области перезаряжаемых батарей. Согласно изобретению система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии содержит электролит, содержащий ионный жидкий растворитель и соли-электролиты; металлический анод; катод, совместимый с электролитом и содержащий активный материал, компонент, представляющий собой сепаратор, который разделяет катод и анод, и высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение. Техническим результатом является безопасность и стабильность батареи. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки США №62/463194, поданной 24 февраля 2017 года, которая включена во всей своей полноте посредством этой ссылки.
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПРАВА
[0002] Настоящее изобретение было создано с государственной поддержкой в соответствии с соглашением о совместной научно-исследовательской работе и конструкторских разработках № FP00003662 с национальной лабораторией имени Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли под руководством попечительского совета Калифорнийского университета согласно договору с Министерством энергетики США №DE-ACO2-5CH11231. Государство обладает определенными правами на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0003] Настоящее изобретение в целом относится к области перезаряжаемых батарей, и более конкретно к новым и полезным системе и способу, относящимся к стабильной высокоэнергетической перезаряжаемой батарее.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Батареи используются в различных отраслях, таких как бытовая электроника, электротранспорт, измерения/каротаж во время бурения, аэрокосмическая отрасль, медицинские устройства, портативные устройства питания, военная отрасль, нефтегазовая отрасль и т.д. Известно, что батареи достигают оптимальных эксплуатационных характеристик, когда работают при температуре, близкой к комнатной, но при высоких температурах батареи становятся нестабильными и опасными и заряжаются и разряжаются неэффективно. Хотя это сопряжено с трудностями, работа батарей в неблагоприятных условиях является необходимой в различных отраслях, включая автомобильную, нефтегазовую, военную, а также в медицинских устройствах. Как правило, доступные на рынке перезаряжаемые батареи не могут безопасно и надежно функционировать при температуре выше 70°С. Кроме того, они не обеспечивают высокую плотность энергии, используемую на конкретных рынках, например связанных с нефтегазовым буровым оборудованием.
[0005] Таким образом, в области перезаряжаемых батарей существует потребность в создании новых и полезных системы и способа, относящихся к стабильной высокоэнергетической перезаряжаемой батарее. Настоящее изобретение предоставляет такие новые и полезные систему и способ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] На фиг. 1 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом спирального типа;
[0007] на фиг. 2 показано вид в разрезе иллюстративной реализации системы;
[0008] на фиг. 3 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом таблеточного типа;
[0009] на фиг. 4 показано схематическое изображение системы в виде батареи с элементом пакетного типа;
[0010] на фиг. 5 показан график сравнения эксплуатационных характеристик батареи для переменных концентраций соли при повышенных температурах;
[0011] на фиг. 6 показан вид в разрезе, изображающий иллюстративную реализацию системы с двухслойным сепаратором;
[0012] на фиг. 7 показан график сравнения эксплуатационных характеристик батареи для разных связующих при повышенных температурах;
[0013] на фиг. 8 показано подробное схематическое представление высокотемпературной оболочки батареи; и
[0014] на фиг. 9 показано схематическое представление системы зарядки батареи.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0015] Последующее описание вариантов осуществления настоящего изобретения предназначено не для ограничения настоящего изобретения этими вариантами осуществления, а для предоставления специалисту в данной области техники возможности создать и использовать настоящее изобретение.
Обзор
[0016] Как показано на фиг. 1 и в более общих чертах на фиг. 2, система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии согласно предпочтительному варианту осуществления может содержать электролит 100, который содержит ионный жидкий растворитель но, литиевые соли 120 и стабилизирующие соли 130; металлический анод 200; металлооксидный катод 300, совместимый с электролитом; и по меньшей мере один сепаратор 400, который разделяет катод и анод. Предпочтительно катод содержит полиимидное связующее 310. В настоящем документе ссылки на батарею могут описывать всю систему или устройство, в котором система является подкомпонентом. Система может дополнительно содержать оболочку 500 батареи, несколько блоков батарей, действующих как элементы внутри многоэлементной батареи, и/или любой подходящий компонент батареи. Система может дополнительно содержать зарядную систему 600. Зарядная система 600 в комбинации с батареей может обеспечивать конкретные возможности перезарядки для батареи. Система может дополнительно содержать встроенные или присоединенные электрические устройства, в которых может быть применена батарея, например относящиеся к устройствам измерения и каротажа для бурения или горных работ, бурильным устройствам, медицинскому устройство, медицинским устройствам (например, электрические медицинские имплантаты), аэрокосмической отрасли, носимым устройствам и/или другим подходящим областям применения.
[0017] В системе предпочтительно применяется набор совместимых
компонентов, которые могут быть использованы для предоставления нелетучей и негорючей батареи. Многие из компонентов, описанных в настоящем документе, предлагают высокую термическую стабильность (например, стабильность вплоть до 250°С), и батарея, использующая эти компоненты, может быть в особенности применима там, где батарея используется при повышенных температурах. Повышенными температурами для батареи можно считать температуры выше 50°С, но многие варианты реализации могут быть подходящими для температур выше 100°С, 150°С и даже более 180°C. В качестве более конкретного описания, высокие эксплуатационные характеристики батареи могут быть обусловлены широким электрохимическим окном, которое позволяет использовать материалы катода высокого напряжения (более 4 В по сравнению с литием в состоянии полного заряда) даже при повышенной температуре, в сочетании с уникальными химическими свойствами, которые приводят к стабилизации металлического анода с высокой плотностью энергии. В целом, синергетические эффекты тщательно подобранных компонентов батареи и электролита могут предоставить уникальную батарею, обладающую потенциалом безопасно обеспечивать высокую плотность энергии и удельную энергию при повышенных температурах, имеющую при этом перезаряжаемую конфигурацию, как было обнаружено заявителем.
[0018] В одном варианте реализации система может предоставлять батарее возможность работы при среднем напряжении 3,7 В, обеспечивая 80 Вт⋅ч, в формате элемента DD (объем элемента составляет приблизительно 100 куб. см) при температурах до по меньшей мере 160°С. Дополнительно такая иллюстративная батарея может быть по существу негорючей и перезаряжаемой. Батарея альтернативно может иметь другие подходящие рабочие свойства.
[0019] В качестве одного потенциального преимущества батарея системы может содержать компоненты, стабильные и функционирующие при высоких температурах (вплоть до 160°С и/или выше). Это может обеспечить возможность работы и безопасность батареи на конкретных рынках, например относящихся к нефтегазовому буровому оборудованию, где батареи должны переносить экстремальные температуры.
[0020] В дополнение к высокотемпературному применению другим потенциальным преимуществом может быть то, что батарея системы может быть как стабильной при высоких температурах, так и перезаряжаемой. Батарея может предоставлять уникальную комбинацию признаков стабильности при высоких температурах и перезаряжаемости, при этом обеспечивая сравнимые или лучшие энергетические свойства, чем другие технологии. Эти качества потенциально могут принести большую пользу в военных применениях, буровых применениях и/или других подходящих применениях.
[0021] В качестве другого потенциального преимущества батарея системы может быть изготовлена из компонентов, которые являются невоспламеняющимися и в целом безопасными. Безопасные батареи могут иметь конкретные применения в частном секторе и в медицинских приложениях, где люди или чувствительное оборудование могут быть уязвимы к проблемам, связанным с батареей. Высокоэнергетические медицинские устройства, которые в настоящее время человеку слишком рискованно использовать или носить в течение продолжительных периодов времени, можно сделать значительно более безопасными благодаря этой батарее. Подобным образом, использование перезаряжаемых батарей в ситуациях с низкими порогами для отказа батареи, таких как бурение с забойным двигателем, также можно сделать более безопасным.
[0022] В качестве другого потенциального преимущества батарея системы может быть изготовлена с использованием материалов и подходов, которые обеспечивают значительную экономию средств по сравнению с другими вариантами батарей, используемыми в настоящее время, где другие сравнимые батареи обычно не имеют многих признаков данной системы (например, перезаряжаемость, безопасность, стабильность и т.д.). Один пример экономии средств может представлять собой такой, в котором реализация батареи в формате элемента DD может быть предложена со стоимостью в диапазоне 10-20 $ за разряд, при этом сравнимая батарея в формате элемента DD, такая как литий-тионилхлоридная батарея или литий-монофторид-углеродная батарея, могут стоить в диапазоне 30-40 $ за разряд.
[0023] В качестве другого потенциального преимущества система может
предоставлять низкий весовой и объемный профиль по сравнению с другими технологиями батареи. Это может привести к созданию новых медицинских устройств, которые до этого момента были неосуществимы. Такими примерами являются нейрологические стимуляторы спинного мозга и имплантируемые дефибрилляторы.
[0024] Система может иметь особенную применимость в вариантах применения в забойных двигателях и зондах с большим количеством приборов и большим энергопотреблением. В таких вариантах применения очень важны безопасность и стабильность. Короткое замыкание, ухудшение электрических свойств, ухудшение механических свойств, термическое разложение и/или взрывы из-за перегрева могут вызывать существенные осложнения в таких операциях в скважине. Система и способ согласно настоящему изобретению могут обеспечить применимость для электрических транспортных средств, в которых боязнь ограничения дальности поездки из-за недостаточной мощности и отсутствия портативности у современных батарей затрудняют дальние поездки. Система также может обеспечить высокую степень применимости на рынке личной электроники, где главным фактором является стабильность. В дополнение, длительный разряд батареи со стабильностью может иметь особенный интерес для использования в военной отрасли. Аэрокосмическая отрасль также потенциально может воспользоваться преимуществами батареи, которая является термостойкой, стабильной и долговечной.
[0025] Батарея согласно предпочтительному варианту осуществления содержит внутренние компоненты и внешние компоненты батареи. Внутренние компоненты батареи обеспечивают электрохимические процессы, позволяющие перезарядку и разрядку. Внешние компоненты, или оболочка, могут быть использованы для упаковки и закрепления внутренних компонентов батареи.
[0026] Внутренние элементы батареи могут включать инертные компоненты (например, сепаратор, разновидности фольги, плоские выводы и т.д.) и активные компоненты (например, металлооксидный катод и металлический анод). Предпочтительно батарея содержит анодный подкомпонент и катодный подкомпонент, при этом анодный и катодный подкомпоненты разделены сепаратором 400. Внутреннее пространство батареи, находящееся между катодом и анодом и включающее пористое пространство сепаратора 400 и катода 300, предпочтительно заполнено электролитом 100. Батарея системы дополнительно содержит анодный вывод и катодный вывод как часть внешних компонентов. Катод и анод могут быть электрически соединены с соответствующими им концами выводов металлическими прокладками или пружинами, но также могут быть соединены металлическим плоским выводом. Внутренние элементы батареи предпочтительно заключены в оболочку 500 батареи. Оболочка 500 может представлять собой металлическую конструкцию, используемую для упаковки внутренних компонентов. В одном варианте реализации оболочка 500 может содержать внутреннее металлическое покрытие и стальную наружную часть. Могут быть созданы различные типы форматов батареи, такие как элемент таблеточного типа, как показано на фиг. 3, батарея со спиральной намоткой, как показано на фиг. 1, батарея с элементом пакетного типа, как показано на фиг. 4, и/или любая подходящая форма батареи. Геометрическая форма батареи может быть, помимо прочего, цилиндрической, призмой или любой подходящей геометрической формой.
[0027] Электронное устройство может быть электрически соединено с анодным и катодным выводами для использования батареи в качестве источника энергии, при этом батарея может работать в режиме разрядки. Система 600 зарядки также может быть электрически соединена с анодным и катодным выводами для осуществления зарядки батареи, при этом батарея работает в режиме зарядки.
Электролит
[0028] Электролит 100 согласно предпочтительному варианту осуществления имеет функцию носителя ионов в батарее, обеспечивая поток ионов между катодом и анодом. Электролит 100 предпочтительно представляет собой смесь неводной жидкости из группы ионных жидкостей с высокой термостойкостью. Более конкретно, электролит 100 для литиевой батареи может состоять из солей-электролитов, дополняющего неводного ионного жидкого растворителя и необязательно дополнительных солей и добавок для стабилизации системы. Дополняющий характер растворителя может обеспечивать растворение соли при предпочтительных параметрах системы. Электролит 100 может упрощать использование как металлических анодов, так и катодов высокого напряжения, тем самым обеспечивая батарею с высокой удельной энергией и/или плотностью энергии в стабильном и/или перезаряжаемом формате. Предпочтительная смесь электролита может быть описана как негорючая, образующая термически стабильный электролит 100 для высокоэнергетической перезаряжаемой батареи. В некоторых предпочтительных вариантах растворители и/или добавки могут улучшать кулоновскую эффективность, уменьшать выделение газа и/или ослаблять побочные реакции с металлическими анодами и/или катодами высокого напряжения. В предпочтительных примерах улучшенная кулоновская эффективность, уменьшенное выделение газа и/или ослабленные побочные реакции могут возникать при высоких температурах. В некоторых предпочтительных вариантах добавки могут способствовать однородному осаждению лития, тем самым улучшая надежность и/или циклируемость батареи. Циклируемость может быть связана с одним или двумя потенциальными показателями: способностью питания (т.е. то, как быстро может проходить цикл батареи) и сроком службы батареи (т.е. количество циклов до достижения конца срока службы (EOL)). Циклируемость может зависеть от температуры. Конец срока службы может характеризоваться тем, когда удержание заряда составляет меньше 80% начальной емкости. Цикл можно охарактеризовать как по существу полный цикл между состоянием полного заряда и конкретной глубиной разряда. Циклируемость может зависеть от температуры. В одном примере батарея может быть разряжена менее чем за 5 ч и может проходить 80 циклов при температуре 110°С; при этом батарея может быть разряжена менее чем за 10 ч и может проходить 12 циклов при температуре 150°С.
[0029] В предпочтительном примере нелетучий и негорючий электролит 100 может быть термически стабильным вплоть до 250°С и выше.
[0030] В предпочтительном варианте электролит 100 состоит из солей-электролитов или, более конкретно, литиевых солей 120. Эти соли распадаются на ионы, которые проводят заряды в жидкой среде, тем самым делая смачиваемость компонентов, представляющих собой сепаратор, и катода важным фактором в производительности батареи. В предпочтительном примере концентрация литиевой соли 120 является высокой. Соли-электролиты могут составлять 10-30 процентов общего веса электролита 100. В одном варианте реализации высокая концентрация литиевой соли 120 превышает 15% по весу. В одном варианте реализации это может включать концентрацию литиевой соли 120, составляющую 18-22% по весу. При типичных рабочих температурах (т.е. при комнатной температуре) высокая концентрация литиевой соли может привести к высокой вязкости в электролите 100, что обычно считается вредным для производительности батареи. Однако, как было обнаружено заявителем, высокая концентрация литиевой соли и ее применение в коммерческом варианте реализации батареи для вариантов применения, описанных в настоящем документе (например, при высокой температуре), могут иметь особые преимущества. Некоторые потенциальные преимущества, связанные с высокой концентрацией соли, могут включать улучшенную однородность литиевого покрытия, повышенную ионную проводимость, более высокую устойчивость к окислению и/или другие подходящие преимущества. Для системы с предпочтительными компонентами высокая концентрация литиевой соли может позволять системе функционировать лучше при более высоких температурах, например температурах, которые считаются нерабочими для обычных перезаряжаемых батарей (т.е. более 70°С).
[0031] Как показано на фиг. 5, концентрация электролитической соли может обеспечить существенные улучшения по сравнению с более традиционными уровнями концентрации. На этом иллюстративном графике батарея с 22% по весу соли удерживает приблизительно 80% емкости после 80 циклов, тогда как батарея с 15% по весу соли может потерять 20% емкости после 25 циклов.
[0032] Примеры литиевых солей включают: бис(фторсульфонил)имид лития, гексафторфосфат лития, бис(оксалато)борат лития или тетрафторборат лития. Один предпочтительный вариант реализации литиевой соли представляет собой бис(трифторметансульфонил)имид лития (LiTFSI). В одном варианте реализации LiTFSI составляет 27% веса электролита.
[0033] Жидкой растворитель но предпочтительно представляет собой неводный беспротонный растворитель, который может содержать катион алкилзамещенного пирролидиния или пиперидиния и анион имида. Анион может содержать сульфонильную группу. Один предпочтительный пример ионного жидкого растворителя представляет собой ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида (TFSI). Более предпочтительный вариант реализации может представлять собой 1-бутил-1-метилпирролидиний бис(трифторметансульфонил)имид. Альтернативные ионные жидкие материалы могут включать молекулярно родственные соединения путем замены пирролидиния пиперидинием, замены бутила алкилами разной длины (например, метилом, этилом и т.п.), замены метила алкилами разной длины (например, бутилом, этилом и т.п.), замены бис(трифторметансульфонил)имида (TFSI) бис(фторсульфонил)имидом (FSI) и/или любой из этих или других подходящих комбинаций. Ионный жидкий растворитель может служить средой для потока ионов, увеличивать термическую стабильность системы и способствовать равномерному электроосаждению ионов на анод.
[0034] Стабилизирующие соли и/или другие добавки 130 могут функционировать для регулирования физических и химических свойств электролитов (например, вязкости, электрохимической стабильности, термической стабильности, числа переноса, коэффициента диффузии и проводимости). В предпочтительных вариантах соли и добавки стабилизируют электролит 100 при высоких температурах, что может увеличить срок службы батареи при высокотемпературной цикличной работе, увеличить смачиваемость различных пористых компонентов (т.е. сепаратора и катода) и/или придавать электролиту 100 другие требуемые свойства. В некоторых примерах стабилизирующие соли 130 и добавки могут включать бис(трифторметансульфонил)имид натрия, бис(трифторметансульфонил)имид калия, бис(трифторметансульфонил)имид цезия, бис(трифторметансульфонил)имид магния и/или бис(трифторметансульфонил)имид цинка. Могут быть использованы другие подходящие соли и/или добавки.
Сепаратор
[0035] Сепаратор 400 согласно предпочтительному варианту осуществления функционирует как физическая перегородка между анодным и катодным подкомпонентами и способствует требуемым электрохимическим взаимодействиям, ускоряя поток ионов между отрицательным и положительным электродами. Сепаратор 400 расположен между катодом и анодом, обеспечивая отсутствие электрического контакта между ними. Сепаратор 400 может представлять собой электроизолирующую мембрану, размещенную между отрицательным и положительным электродами, но в качестве альтернативы может представлять собой любой подходящий тип разделительной конструкции. Сепараторы 400 предпочтительно представляют собой пористые конструкции, которые, хотя и являются ионопроницаемыми, не являются электропроводными. В одном варианте реализации угол контакта электролита 100 на поверхности сепаратора меньше или равен 60° при измерении спустя 60 секунд после осаждения. Если угол контакта капли жидкости на материале меньше 60 градусов, взаимодействия между жидкостью и материалом являются благоприятными и материал может считаться мокрым. В одном иллюстративном варианте реализации толщина сепаратора меньше или равна 35 микрон. В зависимости от своего состава сепараторы 400 могут иметь дополнительные свойства в дополнение к уже упомянутым (например, керамическое покрытие может увеличить механическую прочность сепаратора и увеличить стабильность сепаратора при высоких температурах). Примерами возможных сепараторов являются: сепараторы с покрытием из поверхностно-активного вещества, полиэтилен с керамическим покрытием, полипропилен без покрытия, полиэтилен без покрытия или полиимид (либо сам по себе, либо в комбинации с одним из других предыдущих вариантов). В одном предпочтительном варианте реализации сепаратор 400 может представлять собой полипропиленовый сепаратор с керамическим покрытием. Керамическое покрытие может функционировать для придания сепаратору 400 дополнительной термической и механической стабильности. Полипропилен может иметь благоприятные взаимодействия с электролитом, которые улучшают смачиваемость, что улучшает перенос ионов и подавляет рост дендритов на аноде. В одном иллюстративном варианте реализации сепаратор может иметь: размер пор < 200 нм; пористость > 35%; предел прочности на разрыв > 90 кгс/см2; число Герли > 4 с/100 мл; плотность > 6 г/м2; и/или температуру плавления > 110°С. В таком иллюстративном варианте реализации усадка при 90°С в течение 2 ч может быть меньше 3%, и усадка при 105°С в течение 1 ч может быть меньше 5%. Сепаратор является совместимым с предпочтительным электролитом 100.
[0036] Сепаратор 400 может представлять собой однокомпонентный сепаратор, как описано ранее. Сепаратор 400 альтернативно может представлять собой составной сепаратор, изготовленный из нескольких однокомпонентных сепараторов, слоев и/или других материалов. Составной сепаратор может представлять собой двухслойный сепаратор, который имеет поверхность, прилегающую к аноду, и/или поверхность, прилегающую к катоду, как показано на фиг. 6. В предпочтительном варианте сепаратор, прилегающий к аноду, состоит из полипропиленового слоя с керамическим покрытием (как описано выше), и сепаратор, прилегающий к катоду, состоит из полиимидного слоя. В этом варианте реализации полиимид может функционировать для обеспечения дополнительной механической жесткости сепаратору 400 для предотвращения разложения, деформаций или других видов повреждений при высоких температурах. В некоторых вариантах реализации такой сепаратор 400 может быть применимым вплоть до по меньшей мере 200°С.
Анод
[0037] Анод 200, или отрицательно заряженный электрод, согласно предпочтительному варианту осуществления представляет собой металлический анод, и более конкретно литиевый металлический анод. Литиевый металлический анод содержит фрагмент из металлического лития, который может иметь форму ленты, пластины или фрагмента литиевой металлической фольги. Литиевый металлический анод в некоторых вариантах реализации может иметь толщину приблизительно 5-150 микрон. В некоторых вариантах реализации металлический литий установлен на токоприемник из медной фольги. Независимо от точного состава литиевого металлического анода, который может различаться, уровень чистоты лития предпочтительно является существенно высоким. Металлический литий имеет высокую удельную энергию, как правило, на порядок больше, чем графитовый анод перезаряжаемых батарей в общественном использовании. Сплавы лития и магния представляют собой другие предпочтительные примеры металлических анодов. В некоторых примерах литиевый металлический анод может быть стабилизирован электролитом 100. Стабилизация литиевой поверхности литиевого металлического анода может быть достигнута путем образования стабильной и надежной промежуточной фазы твердого электролита (SEI). В некоторых вариантах реализации образование стабильной SEI может быть достигнуто посредством реакции электролита 100 с литиевой поверхностью литиевого металлического анода. Предпочтительный электролит с высоким содержанием лития может частично раскладываться при контакте с активным материалом отрицательного электрода с образованием соединений лития с высоким содержанием фтора и серы, что увеличивает срок службы электрода, образуя химически неактивный слой на электроде, который препятствует дальнейшему разложению электролита и образованию дендритов. В таких вариантах осуществления структура, стабильность и/или свойства SEI могут зависеть от химических и физических свойств электролита.
Катод
[0038] Катод 300, или положительно заряженный электрод, согласно предпочтительному варианту осуществления, как правило, имеет форму ленты, состоящей из активного материала, который может обратимо интеркалировать ионы лития, по меньшей мере одного связующего 310 и по меньшей мере одной проводящей добавки 320. Положительный электрод, как правило, имеет толщину в диапазоне 50-120 микрон и плотность по меньшей мере приблизительно 2,4 г/см3. По весу активный материал составляет по меньшей мере 93% катода 300, связующее составляет 0,5-5% катода 300 и проводящие добавка (-и) составляют приблизительно 0,1-4% катода 300.
[0039] Активный материал, как правило, состоит из оксида металла, фосфата металла, фторида металла или их комбинации. Активный материал, как правило, подвергается минимальным структурным изменениям или высвобождению газообразных побочных продуктов при температурах 160°С или ниже. Активный материал может представлять собой материал, состоящий из Li, Ni, Mn, Co и кислорода. Более предпочтительно материал может содержать соединения, состоящие из LiNixMnyCozO2, где х находится в диапазоне 0,3-0,9, у находится в диапазоне 0,05-0,3 и z находится в диапазоне 0,05-0,3. Размер вторичных частиц активного материала находится в диапазоне от 4 микрон до 28 микрон. В одном предпочтительном варианте реализации соотношение составляет 5:3:2 (т.е., LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2). В альтернативных вариантах осуществления металлооксидный катод 300 может состоять из литий-железо-фосфата или литий-никель-марганец-кобальт-оксида (NMC) с другими соотношениями (например, 1:1:1, 6:2:2 или 8:1:1). В предпочтительных вариантах состав катода 300 может быть специально разработан, чтобы оставаться стабильным при температурах вплоть до 160°С и выше.
[0040] Проводящие добавки 320 катода 300 могут включать электропроводные материалы на основе углерода. В одном варианте проводящая добавка 320 может представлять собой проводящий графит и/или углеродную сажу. Другие альтернативы могут включать другие типичные литий-ионные углеродные добавки.
[0041] В дополнение к активному материалу катодная смесь содержит связующее 310. Связующее 310 функционирует для поддержания связи активного материала с углеродными добавками и токоприемником. Предпочтительный вариант осуществления для связующего 310 предпочтительно представляет собой полиимид. Полиимид представляет собой предпочтительное связующее 310 из-за его совместимости с предпочтительным электролитом 100 и конкретных механических и химических свойств полиимида. Полиимид является новым в области перезаряжаемых батарей: он более прост в обработке в качестве тонких катодных покрытий, чем политетрафторэтилен (PTFE), является механически стабильным при высоких температурах, имеет точку стеклования выше 300°С, имеет усадку менее 0,5% после 60 минут при температуре 150°С, не теряет функциональность при высоких температурах и проявляет минимальное набухание и смягчение при контакте с электролитом 100. Могут быть выбраны альтернативные связующие, такие как полиамидимид, поливинилиденфторид, карбоксиметилцеллюлоза, сополимер этилена (и пропилена и диенового мономера), полиакрилаты, бутадиен-стирольный каучук, политетрафторэтилен и любые другие связующие, также совместимые с требуемым электролитом 100.
[0042] Как показано на фиг. 7, батарея, такая как описанная в настоящем документе, в которой используется полиимидное связующее, может достигать существенных улучшений в удержании емкости по сравнению с другими более традиционными связующими, такими как поливинилиденфторид (PVDF). Тогда как полиимидное связующее может удерживать приблизительно 90% емкости после 9 циклов, более традиционные технологии могут потерять приблизительно 30% емкости после лишь 8 циклов.
Оболочка
[0043] Как рассмотрено, оболочка 500 батареи предпочтительно может функционировать для обеспечения защитной упаковки, чтобы сделать батарею подходящей для использования. Наружная оболочка может быть сформирована в разнообразных форм-факторах конструкции батареи, таких как конструкция батареи с элементом таблеточного типа, конструкция батареи со спиральной намоткой или батарея с элементом пакетного типа. В частности, для высокотемпературного применения батарея предпочтительно содержит высокотемпературную оболочку батареи.
[0044] Высокотемпературная оболочка батареи функционирует для упаковки внутренней системы батареи для высокотемпературного применения, которое может включать температуры выше 50°С, хотя батарея дополнительно может оставаться работоспособной при комнатных температурах или ниже. Как показано на фиг. 8, высокотемпературная оболочка батареи может содержать наружную оболочку, охватывающую внутренние элементы батареи. Металлическая оболочка в некоторых вариациях представляет собой материал на основе стали и выполняет функцию отрицательного контакта, но альтернативно могут быть использованы другие подходящие материалы. Высокотемпературная оболочка батареи дополнительно может включать область электрического контакта, которая содержит положительный контактный штырь, окруженный металлостеклянным уплотнением, как показано на фиг. 8. Положительный контактный штырь предпочтительно выступает из поверхности оболочки батареи. Отрицательный контакт предпочтительно представляет собой материал в другом месте в области электрического контакта, например, металлическую поверхность, окружающую металлостеклянное уплотнение и саму металлическую оболочку. Металлостеклянное уплотнение предпочтительно представляет собой кольцо, которое окружает положительный контактный штырь. Металлостеклянное уплотнение предпочтительно представляет собой электрический изолятор. Металлостеклянное уплотнение дополнительно может иметь свойства термического расширения, соответствующие материалу, используемому в оболочке батареи, по меньшей мере для требуемых рабочих температурных диапазонов. Соответствующее термическое расширение может функционировать для предотвращения протечек и других механических повреждений в батарее.
[0045] В определенных примерах батарея с элементом таблеточного типа может быть изготовлена с возможностью подачи 10 мВт⋅ч, как показано на фиг. 3. В предпочтительном варианте реализации анод 200 может представлять собой литиевый металлический анод, как описано выше. В предпочтительном варианте реализации катод может представлять собой катод, как описано выше. В предпочтительном варианте реализации сепаратор 200 может представлять собой систему сепаратора, как описано выше. Как представлено, батарея с элементом таблеточного типа может содержать алюминиевую прокладку, прокладку из нержавеющей стали и пружину из нержавеющей стали.
[0046] В определенных вариантах осуществления батарея с элементом спирального типа формата DD, как показано на фиг. 1, может создавать номинальное напряжение приблизительно 3,7 вольта, обеспечивать приблизительно 80 Вт⋅ч энергии, может быть невоспламеняющейся, работать при температуре вплоть до 160°С или выше и быть перезаряжаемой. В качестве альтернативы могут быть использованы альтернативные форматы со спиральной намоткой.
[0047] В некоторых вариантах осуществления батарея с элементом пакетного типа, как показано на фиг. 4, может быть образована путем смачивания и сжатия электродов для достижения хорошего контакта и низкого сопротивления. В различных вариантах осуществления металлическая фольга и плоские выводы батареи с элементом пакетного типа могут быть спаяны вместе. В определенных вариантах осуществления батарея с элементом пакетного типа может содержать уложенные стеком электроды, выполненные с возможностью подачи от 40 мВт⋅ч в формате 2×3 см до 8 Вт⋅ч в формате 10×12 см. В одном варианте осуществления от двух до двадцати электродов батареи с элементом пакетного типа могут быть собраны и уложены стеком со сгибом гармошкой в слоистом материале пакета или в предварительно сформированном слоистом материале пакета. В определенных вариантах осуществления электролит 100 может быть впрыснут в батарею с элементом пакетного типа перед вакуумным уплотнением пакета.
[0048] Как показано на виде в разрезе иллюстративной батареи на фиг. 2, батарея может содержать металлический анод 200, полимерный сепаратор 400, ионный жидкий электролит 100 и металлооксидный катод 300. Компоненты батареи могут представлять собой предпочтительный компоненты, описанные в настоящем документе.
[0049] Система может дополнительно содержать зарядную систему 600, которая выполняет функцию перезарядки батареи, как показано на фиг. 9. Зарядная система 600 предпочтительно электрически соединена с батареей, и тогда батарея работает в режиме зарядки для восстановления заряда батареи для последующего использования в подаче питания для электрической системы. Как было обнаружено заявителем, некоторые варианты батареи испытывают улучшенную перезаряжаемость (в отношении величины перезарядки и/или количества циклов перезарядки), когда заряжаются при повышенной температуре зарядки. В некоторых вариантах зарядная система 600 представляет собой систему зарядки при повышенной температуре, которая может содержать элемент нагревателя и которая выполняет функцию зарядки батареи при повышенной температуре. Элемент нагревателя предпочтительно может представлять собой регулируемый нагревательный элемент, контролируемый и выполненный с возможностью установки батареи на конкретные температуры и/или поддержания конкретных температур, при нахождении в режиме зарядки. В одном варианте реализации система 600 зарядки при повышенной температуре выполнена с возможностью установки температуры батареи в диапазоне 70-120°С. Например, система 600 зарядки при повышенной температуре может заряжать батарею при температуре по меньшей мере 80°С. Система батареи может быть выполнена с возможностью изменения температуры зарядки, установленной элементом нагревателя, в течение цикла зарядки. Например, элемент нагревателя может быть выполнен с возможностью установки первой температуры в один период в цикле зарядки и второй температуры во второй период в цикле зарядки. Зарядная система 600 дополнительно может быть выполнена с возможностью применения цикла зарядки, настроенного для конкретных составляющих материалов и химических веществ, используемых в батарее.
[0050] Батарея предпочтительно работает в по меньшей мере рабочем режиме зарядки и режиме разрядки (т.е. режиме активного использования). Батарея дополнительно может иметь режим ожидания, когда батарея не находится в активном использовании. Как рассмотрено, батарея предпочтительно работает при повышенных температурах режимах разрядки и ожидания. Другими словами, батарея не в активном использовании может быть подвергнута воздействию условий высоких температур, и та же батарея может быть использована в условиях высоких температур. Во время рабочего режима зарядки система, работающая при повышенной температуре, может быть приспособлена поднимать температуру батареи до уровня или поддерживать ее на уровне по меньшей мере 80°С.
[0051] Система может дополнительно содержать одно или несколько электрических устройств, при этом электрические устройства функционируют для предоставления некоторых функциональных возможностей, связанных с электропитанием, по меньшей мере частично получая питание от перезаряжаемой батареей или подавая питание на перезаряжаемую батарею, описанную в настоящем документе. Иллюстративные электрические устройства могут включать датчики или устройства для работы в неблагоприятных условиях (например, устройства для бурения и горных работ), медицинские устройства (например, имплантируемые медицинские устройства, питаемые батареей и индукционным зарядным устройством, которое заряжает батарею), носимые вычислительные устройства и/или другие подходящие электрические устройства. В одном варианте зарядная система 600 может быть встроена в электрическое устройство таким образом, что батарея может быть перезаряжена с помощью электрического устройства.
[0052] Как будет понятно специалисту в данной области техники из приведенного выше подробного описания и из фигур и формулы изобретения, модификации и изменения могут быть внесены в варианты осуществления настоящего изобретения без отступления от объема настоящего изобретения, определенного в последующей формуле изобретения.

Claims (30)

1. Система высокотемпературной вторичной батареи с высокой плотностью энергии, содержащая:
электролит, содержащий ионный жидкий растворитель и соли-электролиты;
металлический анод толщиной менее 150 микрон;
катод, совместимый с электролитом и содержащий активный материал и имеющий плотность приблизительно 2,4 г/см3; и
компонент, представляющий собой сепаратор, толщиной менее 35 микрон и пористостью более 35%, который разделяет катод и анод, и
высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что соли-электролиты включают литиевую соль с концентрацией выше 10% по весу электролита.
3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что литиевая соль включает бис(фторсульфонил)имид лития.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что ионный жидкий растворитель представляет собой ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида представляет собой 1-бутил-1-метилпирролидиний бис(трифторметансульфонил)имид.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что металлический анод представляет собой литиевый металлический анод.
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что активный материал обратимо интеркалирует ионы лития; и при этом катод дополнительно содержит по меньшей мере одну проводящую добавку на основе углерода.
8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что металлический анод представляет собой анод из сплава лития и магния.
9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой полипропиленовый сепаратор с керамическим покрытием.
10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что сепаратор представляет собой составной сепаратор с по меньшей мере двумя материалами сепаратора.
11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что составной сепаратор содержит полиимидный слой, прилегающий к катоду, и полипропиленовый слой с керамическим покрытием, прилегающий к аноду.
12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что высокотемпературная оболочка батареи состоит из оболочки на основе стали, представляющей собой отрицательный контакт, с положительным контактным штырем, окруженным металлостеклянным уплотнением.
13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит наружную оболочку, образованную в конструкции батареи, выбранной из набора, включающего по меньшей мере конструкцию батареи с элементом таблеточного типа и конструкцию батареи со спиральной намоткой.
14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея выполнена с возможностью зарядки и разрядки при температурах выше 70°C.
15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея выполнена с возможностью зарядки и разрядки при температурах от 25 до 160°C.
16. Система по п. 1, отличающаяся тем, что спустя двадцать циклов зарядки-разрядки до состояния заряда 100% с глубиной разрядки 100% при температурах в диапазоне 100–160°C батарея сохраняет более 70% емкости.
17. Система по п. 1, отличающаяся тем, что батарея имеет рабочий режим разрядки; при этом в рабочем режиме разрядки батарея подает по меньшей мере 450 Вт·ч/л в течение одной полной разрядки при работе в температурном диапазоне 70–160°C.
18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему зарядки при повышенной температуре; и при этом система имеет рабочий режим зарядки; и в рабочем режиме зарядки система зарядки при повышенной температуре приспособлена устанавливать температуру батареи в по меньшей мере 80°C.
19. Система по п. 1, отличающаяся тем, что катод представляет собой катод, выбранный из набора, состоящего из металлооксидного катода, металл-фторидного катода или металл-фосфатного катода.
20. Система высокотемпературной вторичной батареи, содержащая:
электролит, содержащий ионный жидкий растворитель на основе бис(трифторметансульфонил)имида и литиевые соли;
литиевый металлический анод толщиной менее 150 микрон;
катод, совместимый с электролитом, при этом катод содержит активный материал на основе оксида металла, и по меньшей мере одну проводящую добавку на основе углерода, с получением покрытия с плотностью более 2,4 г/см3;
полипропиленовый компонент с керамическим покрытием толщиной менее 35 микрон и пористостью более 35%, который разделяет катод и анод; и
высокотемпературную оболочку батареи, содержащую металлостеклянное уплотнение.
RU2019128249A 2017-02-24 2018-02-24 Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней RU2740794C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762463194P 2017-02-24 2017-02-24
US62/463,194 2017-02-24
PCT/US2018/019594 WO2018157007A1 (en) 2017-02-24 2018-02-24 System and method for a stable high temperature secondary battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740794C1 true RU2740794C1 (ru) 2021-01-21

Family

ID=63246532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019128249A RU2740794C1 (ru) 2017-02-24 2018-02-24 Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней

Country Status (8)

Country Link
US (2) US20180248221A1 (ru)
EP (1) EP3586386A4 (ru)
CN (1) CN110582868B (ru)
CA (1) CA3052988C (ru)
MX (1) MX2019009953A (ru)
RU (1) RU2740794C1 (ru)
SA (1) SA519402472B1 (ru)
WO (1) WO2018157007A1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020124086A1 (en) 2018-12-14 2020-06-18 Cuberg, Inc. System for an ionic liquid-based electrolyte for high energy battery
CN109786842A (zh) * 2018-12-26 2019-05-21 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种高安全高比能量锂/氟化碳电池制备方法
US10930972B2 (en) 2019-01-25 2021-02-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Metal-phosphorous sulfide additives for solid state batteries
CN110247123A (zh) * 2019-06-17 2019-09-17 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种电芯结构、制造方法及电池
US20240072237A1 (en) * 2022-08-29 2024-02-29 Wayne State University High temperature lithium-ion battery and method of making same

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090197158A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-06 Sony Corporation Nonaqueous electrolyte battery
RU2503098C1 (ru) * 2012-07-03 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) Твердый полимерный электролит для литиевых источников тока
US9083035B2 (en) * 2012-03-22 2015-07-14 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator and rechargeable lithium battery
US20150333309A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Dongguan Amperex Technology Limited Separator And Lithium-Ion Secondary Battery

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5523179A (en) * 1994-11-23 1996-06-04 Polyplus Battery Company Rechargeable positive electrode
US6410181B1 (en) * 1999-05-05 2002-06-25 Wilson Greatbatch Ltd. High temperature lithium oxyhalide electrochemical cell
KR100324626B1 (ko) * 2000-03-06 2002-02-27 박호군 젤형 고분자전해질을 이용한 복합전극과 이차전지 및 그제조방법
JP4060562B2 (ja) * 2001-05-02 2008-03-12 日本碍子株式会社 電極体の評価方法
FR2831715B1 (fr) * 2001-10-25 2004-03-19 Centre Nat Rech Scient Oxyde de lithium et de vanadium, son utilisation comme matiere active d'electrode
US7390336B2 (en) * 2003-07-29 2008-06-24 Solicore, Inc. Polyimide-based lithium metal battery
CA2552230C (en) * 2003-12-29 2014-07-08 Shell Canada Limited Electrochemical element for use at high temperatures
US20060088767A1 (en) * 2004-09-01 2006-04-27 Wen Li Battery with molten salt electrolyte and high voltage positive active material
JP4519685B2 (ja) * 2005-03-14 2010-08-04 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4455461B2 (ja) * 2005-09-12 2010-04-21 株式会社東芝 蓄電システム
JP5032773B2 (ja) * 2006-02-03 2012-09-26 第一工業製薬株式会社 イオン性液体を用いたリチウム二次電池
JP4435113B2 (ja) * 2006-05-30 2010-03-17 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4363436B2 (ja) * 2006-10-13 2009-11-11 ソニー株式会社 二次電池
JP2008226537A (ja) * 2007-03-09 2008-09-25 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質二次電池及びその製造方法
JP2008243708A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解質二次電池および非水電解質二次電池の製造方法
US9214697B2 (en) * 2007-07-18 2015-12-15 Dai-Ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. Lithium secondary battery
JP5372449B2 (ja) * 2008-09-24 2013-12-18 三洋電機株式会社 バッテリシステム
JP5359440B2 (ja) * 2009-03-25 2013-12-04 コニカミノルタ株式会社 電解質及び二次電池
JPWO2012056765A1 (ja) * 2010-10-29 2014-03-20 日本電気株式会社 二次電池及びその製造方法
US9558894B2 (en) * 2011-07-08 2017-01-31 Fastcap Systems Corporation Advanced electrolyte systems and their use in energy storage devices
US9083034B2 (en) * 2013-03-15 2015-07-14 Ford Global Technologies, Llc Treated battery separator
US9276292B1 (en) * 2013-03-15 2016-03-01 Imprint Energy, Inc. Electrolytic doping of non-electrolyte layers in printed batteries
CA2820468A1 (fr) * 2013-06-21 2014-12-21 Hydro-Quebec Anode comprenant un alliage de lithium pour batteries a haute energie
EP3057158B1 (en) * 2013-10-07 2017-05-03 Nissan Motor Co., Ltd. Electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, as well as electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
US9698447B2 (en) * 2013-11-18 2017-07-04 Basf Corporation Use of lithium bis(fluorosulfonyl) imide (LiFSI) in non-aqueous electrolyte solutions for use with 4.2v and higher cathode materials for lithium ion batteries
KR102185125B1 (ko) * 2014-02-06 2020-12-01 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR101958579B1 (ko) * 2014-08-25 2019-03-14 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 적층형 전지 및 그 제조 방법
US20160072128A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Manganese hexacyanomanganate as a high-capacity positive electrode for rechargeable batteries
MX2017007666A (es) * 2014-12-12 2017-10-27 Pellion Tech Inc Celda electroquimica y metodo para producir la misma.
EP3076470B1 (en) * 2015-04-03 2019-10-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium secondary battery
KR102407139B1 (ko) * 2015-05-20 2022-06-10 삼성전자주식회사 리튬금속전지
EP3136475B1 (en) * 2015-08-31 2021-09-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Lithium metal battery
CN108370036A (zh) * 2015-12-15 2018-08-03 株式会社杰士汤浅国际 锂二次电池用正极活性物质、正极活性物质的前体的制造方法、正极活性物质的制造方法、锂二次电池用正极和锂二次电池
US11133531B2 (en) * 2016-03-30 2021-09-28 Wildcat Discovery Technologies, Inc. Liquid electrolyte formulations with high salt content
MX2018014626A (es) * 2016-05-27 2019-08-12 Univ California Dispositivo de almacenamiento de energia electroquimico..
CN109314216B (zh) * 2016-06-08 2021-08-17 远景Aesc 日本有限公司 非水电解质二次电池
US20230112652A1 (en) * 2021-09-24 2023-04-13 EnPower, Inc. Electrochemical cell having lithium metal anode and multilayered cathode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090197158A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-06 Sony Corporation Nonaqueous electrolyte battery
US9083035B2 (en) * 2012-03-22 2015-07-14 Samsung Sdi Co., Ltd. Separator and rechargeable lithium battery
RU2503098C1 (ru) * 2012-07-03 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) Твердый полимерный электролит для литиевых источников тока
US20150333309A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Dongguan Amperex Technology Limited Separator And Lithium-Ion Secondary Battery

Also Published As

Publication number Publication date
CN110582868A (zh) 2019-12-17
CA3052988C (en) 2022-07-26
MX2019009953A (es) 2019-12-19
WO2018157007A1 (en) 2018-08-30
US20210143467A1 (en) 2021-05-13
WO2018157007A8 (en) 2019-08-29
CN110582868B (zh) 2022-05-10
SA519402472B1 (ar) 2022-10-30
US20180248221A1 (en) 2018-08-30
EP3586386A1 (en) 2020-01-01
CA3052988A1 (en) 2018-08-30
EP3586386A4 (en) 2021-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2740794C1 (ru) Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней
US11177537B2 (en) Separator enclosures for electrodes and electrochemical cells
RU2438212C2 (ru) Перезаряжаемый элемент аккумуляторной батареи
DK2534719T3 (en) Rechargeable electrochemical cell
JP5985486B2 (ja) 内部参照電極を備えたリチウムの技術に基づく電気化学セル、その製造方法、及びそのアノードとカソードの電圧又はインピーダンスの同時モニタリング方法
US5601951A (en) Rechargeable lithium ion cell
US10535894B2 (en) Galvanic element
US9196929B2 (en) Electrolyte compositions for batteries using sulphur or sulphur compounds
JP4933029B2 (ja) アルミニウム製またはアルミニウム合金製の導電性基体を有してなる少なくとも１つの両極性電極を具備したリチウム電気化学的電池
JP5264099B2 (ja) 非水電解質二次電池
US20060234125A1 (en) Lithium Ion Rocking Chair Rechargeable Battery
KR20180080228A (ko) 재충전가능 알루미늄 이온 배터리
US20050238956A1 (en) Negative electrode for lithium battery and lithium battery comprising same
KR20070001118A (ko) 고온에서 사용하기 위한 전기화학 소자
US9748544B2 (en) Separator for alkali metal ion battery
EP3863100A1 (en) Method for manufacturing lithium-ion cell and lithium-ion cell
KR20150090074A (ko) 용융염 전지 및 그 제조 방법
US6511773B1 (en) Lithium rechargeable inorganic electrolyte cell
CA3092785A1 (en) Solid ionic conductor for rechargeable electrochemical battery cells
KR101138482B1 (ko) 리튬 이온 커패시터
US10256516B2 (en) Stable electrolyte for lithium air battery and lithium air battery including the same
JP2018156724A (ja) リチウムイオン二次電池
JP3743774B2 (ja) 非水電解質電池
OA19875A (en) Solid ionic conductor for rechargeable electrochemical battery cells.
Vincent Non-aqueous battery systems