TW202130023A - 具有離子交換材料的電極組件 - Google Patents

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科林 約瑟夫 法默
帕維爾 霍赫洛夫
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Abstract

一種可再充電電池單元包含電極和離子交換材料，所述離子交換材料與所述電極的至少一部分被佈置以界定互穿界面。提供緊密接觸的互穿界面可以包含將電極完全地或部分地嵌入至離子交換材料中，或者替代地，使用離子交換材料的薄膜圍繞電極或電極的個別部分。在一實施例中，電極可以是完全或部分嵌入、塗布或部分接觸離子交換材料的顆粒。

Description

具有離子交換材料的電極組件
本發明主張於2019年10月4日提交的美國臨時申請號「62/910,952」的權益，此臨時申請的全部內容透過引用而併入參考。本案涉及電池和電池組件的領域。更具體地，本案涉及具有離子交換材料的電池（Battery）或電池單元（Cell）。
可攜式設備、電動車輛、電網儲存及其它應用對於具有高能量密度的低成本可再充電電池系統有很大的需求。最近，鋰離子電池已成為許多能量儲存應用中的一種流行的首選技術。不幸的是，關鍵金屬的可用性限制、高能源成本以及與鋰離子技術相關的安全風險限制了電池在許多應用中被廣泛採用。
使用具有水性電解質的基於鋅(Zn-based)的電池成為替代性選擇。這種電池的低成本和相對安全性使得它們可以在許多潛在的應用中被使用。
本發明揭露一種具有離子交換材料的電極組件。
首先，本發明揭露一種可再充電電池單元，其包含：電極及離子交換材料。其中，離子交換材料與電極的至少一部分被佈置以界定一個互穿介面（Interpenetrating Interface）。
接著，本發明揭露一種可再充電電池單元，其包含：電極及離子交換材料。其中，離子交換材料用以接觸並圍繞電極的一部分。
另外，本發明還揭露一種可再充電電池單元，其包含：電極及離子交換材料。其中，電極包含多個顆粒；離子交換材料用以接觸並完全圍繞每一所述顆粒的表面。
接下來，本發明揭露一種可再充電電池單元，其包含：電極及離子交換材料。其中，電極包含多個顆粒；離子交換材料被佈置為實質嵌入電極的所有顆粒。
除此之外，本發明揭露一種可再充電電池單元的製造方法，其步驟包括：在電極中形成多個顆粒；以及將離子交換材料嵌入至電極的至少一些顆粒。
在一個實施例中，可再充電電池單元包含電極及離子交換材料，此離子交換材料與電極的至少一部分被佈置以界定一個互穿界面。提供緊密接觸的互穿界面可以包含將電極完全地或部分地嵌入離子交換材料中，或者替代地，使用離子交換材料的薄膜圍繞電極或電極的個別部分。在一個實施例中，電極可以是完全或部分嵌入、塗布或部分接觸離子交換材料的顆粒。在另一個實施例中，電極顆粒可以與離子交換材料混合或以其它方式摻雜在一起。
在一些實施例中，電極可包含一個含鋅(Zn)陽極。在其它實施例中，電極為包含氫氧化鎳(Ni (OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、二氧化錳(MnO2)、高鐵酸鹽(Fe(VI))、錳酸鹽(Mn (VI))及高錳酸鹽(Mn (VII))至少其中之一的陰極。
所述電極可至少部分地包含電極顆粒，所述電極顆粒的尺寸小於300微米，並且被填充以具有一個孔體積，所述孔體積小於總電極體積的50%。
在一些實施例中，離子交換材料可包含陰離子交換材料或陽離子交換材料。所述離子交換材料可包含具有帶正電荷的官能基的聚合材料。
在一些實施例中，液體鹼性電解質與電極接觸可以實現離子遷移。所述電解質可以任意選擇一些結合離子交換材料。
在一個實施例中，可再充電電池單元可包含電極，此電極包含多個顆粒及一個離子交換材料，其中，離子交換材料接觸並圍繞所述電極的至少一部分。
在一個實施例中，可再充電電池單元可包含電極，此電極包含多個顆粒，以及包含接觸並完全圍繞每一所述顆粒的表面的離子交換材料。
在一個實施例中，可再充電電池單元可包含電極及離子交換材料，其中，電極包含多個顆粒；離子交換材料被佈置實質嵌入電極的所有顆粒。
在一個實施例中，一個可再充電電池單元的製造方法可包含：在電極中形成多個顆粒，以及將離子交換材料嵌入或混合至電極的至少一些顆粒。所述嵌入可包含熔化、軟化、從熔體沉積、層壓及壓力施加等至少其中之一。
在一些實施例中，製造可以包含將電極浸泡在液體電解質中。
在一些實施例中，製造可以包含在將離子交換材料嵌入或混合到至少一些顆粒之前，將電極和離子交換材料組裝到電池中。
本案揭露涉及具有改善循環壽命和使用中的電氣性能的電池單元。舉例來說，這些電池可以表現出更高的電池放電電壓、更高的放電容量、更低的內阻及高倍率放電能力。在一些實施例中，所揭露的電池單元在高速率放電電流下具有長週期的循環壽命。
「第1圖」說明可再充電電池單元系統100，其包括圍繞各種電池組件的殼體102。電池組件可以包含有助於電池單元系統100的充電和放電的集電器110和112。分別與集電器110和112接觸的電極材料120和122，電極材料120和122通過僅允許離子在材料之間流動的隔板130彼此分開，可再充電電池單元系統100可以包括殼體、陰極、離子交換材料以及如下所述的其它材料和組件：
電極（Electrodes）
電極材料可包含形成薄膜的材料，或諸如：柱、針、凹槽或縫隙的結構化圖案的材料；在一些實施例中，電極可以是鬆散佈置的材料、剛性結合或燒結的結構，或固體連續的孔結構。在一個實施例中，電極可以由各種形式提供的顆粒來形成，例如：粉末、顆粒、小球或納米材料，在某些實施例中，顆粒的平均尺寸（直徑或最長尺寸）可以在約 0.1μm 至 300μm 之間，並且在一個具體實施方案中，尺寸約在 100μm 至 1μm 之間。在一些實施例中，可以使用相對均勻的粒度，而在其它實施例中，則可以使用不均勻的材料，可以對顆粒進行處理以增加有效表面積。在一些實施例中，可以通過加熱、熔融、熔合或燒結來處理顆粒以將顆粒黏合在一起。在其它實施例中，可以使用另外的黏合劑將顆粒維持在一起。
集電器（Collectors）
電極材料的至少一部分被設置成與集電器（Current Collector）接觸，集電器用於提供電流，從而可以在充電期間將其消耗用於電極反應並收集在放電期間產生的電流。集電器通常由具有高電導率且對電化學電池單元反應無活性的材料所形成。集電器可以成形為板狀、箔狀、網狀、多孔狀海綿狀、沖孔或開槽金屬狀或金屬網狀。
集電器的材料可以包含：鎳(Ni)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉑(Pt)、釩(V)、金(Au)、鋅(Zn)以及這些金屬中的兩種或更多種的合金，例如：不銹鋼。其它實施例可以是石墨布、銅片或網狀開縫編織黃銅。
陽極材料（Anode Material）
使用於電極的陽極材料可包含多種元素，例如：鋅、鋁、鎂、鐵及鋰，以及純的氧化物形式或鹽形式的其它金屬或其組合。在一些實施例中，可以使用相對純的Zn、ZnO或Zn和ZnO的混合物。對於可再充電的鋅負極，電化學活性材料是氧化鋅粉末或鋅與氧化鋅粉末的混合物。氧化鋅可以溶解在鹼性電解質中以形成鋅酸鹽(Zn(OH)4 2− )。在充電過程中，氧化鋅或／及鋅酸鹽被還原為鋅金屬。
更廣泛地，陽極材料可包括：
任何金屬M、金屬氧化物MOx或氧化還原電位E0低於陰極材料的氧化還原電位的金屬鹽。
氧化還原電位E0低於陰極材料的氧化還原電位的任何金屬氧化物MOx。
E0低於陰極材料的E0的任何金屬MM1M2 ... Mn的任何合金、混合氧化物或混合鹽。
任何可在其結構中容納陰離子的聚合物，其氧化還原電位E0低於陰極材料的氧化還原電位。
一種或多種上述類型的材料的任何混合物。
陰極材料（Cathode Material）
電極的陰極材料可包含多種材料，例如：金屬或含金屬的化合物，例如：高鐵酸鹽(Fe(VI))、高錳酸鹽(Mn (VII))、氫氧化鎳Ni(OH)2、羥基氧化鎳NiOOH、二氧化錳MnO2或任何組合。
另外，在步驟270之後，可如「第2C圖」所示意，計算排課列表中，相同學科的每一課堂時間的學生人數，並且在這些學生人數差異超過容許範圍時，將同一學科組合的學生分配至相同的授課學科且不同的課堂時間，用以平衡課堂時間的學生人數（步驟280）。舉例來說，假設同樣的學科在第二節及第三節皆有排課，前者學生人數與後者學生人數的差異超過容許範圍，如：20人，那麼，可以計算平均值以作為這兩節的學生人數，實現平衡分配排課的目的。
更廣泛地，陰極材料可包含：
任何金屬M，其氧化還原電位E0大於陽極材料的氧化還原電位。
氧化還原電位E0大於陽極材料的氧化還原電位的任何金屬氧化物MOx。
E0大於陽極材料的E0的任何金屬MM1M2 ... Mn的任何合金。
具有大於陽極材料的氧化還原電位的任何金屬氟化物MFn。
任何合金MM1M2 ... MnOxFm，其中，n大於或等於2並且m大於或等於零。
任何可在其結構中容納陰離子的聚合物，其氧化還原電位E0大於陽極材料的氧化還原電位。
CFx氟化碳，其中x在零和2之間。
在電解質水溶液中不穩定的鹽，包含但不限於基於FeVI（六價鐵）的電池系統。
一種或多種上述類型的材料的任何混合物。
在一些實施例中，其中陰極可包含一種或多種選自以下的添加劑：鉍(Bi)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鉀(K)、鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、釩(V)、鋇(Ba)、釔(Y)、鈦(Ti)、鍶(Sr)，其中，添加劑為氧化物或氫氧化物形式。
添加劑和黏合劑（Additives and binding agents）
各種添加劑可用於改善電極的電化學、電或機械特性。例如，可以通過添加鎳、氫氧化鎳、羥基氧化鎳或含氧化鎳的陰極材料來改善電化學性能。其可摻入或塗布有少量的氧化鈷、氫氧化鍶(Sr(OH)2)、氧化鋇(BaO)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、Fe3O4、氟化鈣(CaF2)或氧化釔(Y2O3)來改善電池性能。在另一個例子，電極可以包括氧化物，例如：氧化鉍、氧化銦及／或氧化鋁。所述氧化鉍和氧化銦可與鋅相互作用並減少電極上的氣化。可以在乾式負極配方中讓氧化鉍濃度佔約1%至10%的比重，可以在乾式負極配方中讓氧化銦濃度佔約0.05%至1%的比重，可以在乾式負極配方中讓氧化鋁濃度佔約1%至5%的比重。
在某些實施例中，可以包含一種或多種添加劑以改善鋅電極材料的耐腐蝕性。陰離子的具體例子，其可包含降低鋅在電解質中的溶解度的物質，包含：磷酸鹽、氟化物、硼酸鹽、鋅酸鹽、矽酸鹽、草酸鹽或硬脂酸鹽。通常，這些陰離子可在乾式電極配方中以濃度高達約10%的比重存在於電極中。
提升電特性如電導率的添加劑也可以被添加。舉例來說，一系列碳質材料可用作電極添加劑，包含粉末狀或纖維狀碳，例如：石墨、焦炭、科琴黑和乙炔黑。碳質納米材料也可以使用，例如單壁或多壁碳納米管、碳納米纖維、多層碳納米顆粒、碳納米晶須或碳納米棒。
添加劑可以作為化學均相成分提供到混合物或溶液、共沉澱或塗布在顆粒上。
在一個實施例中，可以通過添加黏合劑以增加電極機械強度以及減少電極的彎曲或裂紋來改善機械性能。黏合劑可包含聚合材料，如：聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚異丁烯（PIB）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸、聚乙酸乙烯酯、羧甲基纖維素（CMC）、丁苯橡膠（SBR）、聚環氧乙烷（PEO）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）或聚酰胺、聚偏二氟乙烯（PVDF）、基於有機矽的彈性體，例如：聚二甲基矽氧烷（PDMS），或是橡膠材料，如：天然橡膠（NR）、乙丙橡膠（EPM）或乙丙二烯單體橡膠（EPDM）。
離子交換材料（Ion exchange material）
離子交換材料通常對陽離子或陰離子的傳輸具有選擇性。陰性選擇性離子交換材料（Anion selective ion exchange material）可以單獨使用，陽性選擇性離子交換材料（Cation selective ion exchange material）可以單獨使用，或者兩者可以組合使用。在一個實施例中，離子交換材料可以是帶有強酸性基團的有機或聚合物材料，例如：包含聚苯乙烯磺酸鈉或 polyAMPS 的磺酸。或者，離子交換材料可以是帶有強鹼性基團的有機或聚合材料，所述強鹼性基團如：包含三甲基胺基團（例如：polyAPTAC）。在另一個實施例中，離子交換材料可以是帶有弱酸性基團（包含羧酸基團）的有機或聚合物材料。或者，離子交換材料可以是帶有弱鹼性基團的有機或聚合物材料，所述弱鹼性基團通常具有一級、二級及／或三級胺基（例如：聚乙烯胺）。
可提供離子交換材料以與電極材料相互作用作為一個完全或部分地嵌入聚合物、顆粒混合物、膜或薄膜、顆粒或珠或塗層。單獨的陽極、單獨的陰極或陽極或陰極都可以被配置為與離子交換材料相互作用，對於各個電極的離子交換材料可以是相同或不同的材料。
電解質（Electrolyte）
電解質用於維持電極與內部電極孔之間的高離子電導率。電解質可以是水基、溶劑基、固體聚合物或離子液體。在一些實施例中，電解質可以是半固體或膠化的。膠化劑可包含吸收電解質溶液的液體並溶脹的聚合物。這樣的聚合物可包含：聚環氧乙烷、聚乙烯醇及聚丙烯酰胺。
在另一個實施例中，電解質可以是固態電解質。在另一個實施例中，電解質可以與吸收的水形成為固體材料。例如，暴露在潮濕空氣中的氫氧化鉀(KOH)。
在另一個實施例中，電解質可以由離子交換材料形成，例如前述“離子交換材料”的部分所述。
在一個實施例中，可以使用含水鹼性電解質。鹼性電解質可包括鹼，例如：氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋰、氫氧化鈣或無機鹽，例如：溴化鋅。
隔板（Separtor）
隔板可以用離子交換膜或薄膜代替（或與之結合使用）。可以提供常規的多孔聚合物隔板或離子交換隔板作為聚合物膜或薄膜。通常，隔板佈置在陽極和陰極之間，並起到防止陽極和陰極有內部短路的作用。另外，隔板也可以起到保持電解液的作用，特別是對於使用不同陰極和陽極電解液的電池系統。通常要求隔板具有多孔結構或當電解質溶液於化學穩定狀態時可允許離子通過的多個穿孔結構。在一些實施例中，可通過塗布電極或共同形成電極的顆粒來形成一個或多個隔板。隔板可以由無紡織物或具有由玻璃、聚丙烯、聚乙烯、樹脂或聚酰胺製成的微孔結構的膜形成。或者，隔板可以由分別具有多個穿孔的金屬氧化物膜或與金屬氧化物結合的樹脂膜構成。
處理（Processing）
在一個實施例中，可以執行乾式混合（Dry Mixing）處理，其中在處理的同時混合各種陽極和陰極材料以及添加劑和黏合劑。在將混合物放入電池殼體之前，可以執行可選的處理步驟，例如：加熱、融合（Fusing）、壓縮和熔化離子交換材料。在其它實施例中，可以在將混合物放入電池殼體中之後執行可選的處理步驟，例如：加熱、融合（Fusing）、壓縮和熔化離子交換材料。在密封電池殼體之前可以添加液體電解質。
根據其它實施例，可以替代地使用濕式混合（Wet Mixing）處理。在濕式混合處理中，混合處理的開始或過程中添加一種或多種溶劑，或者以分散液或懸浮液的形式使用一種或多種成分。所述溶劑可以在混合過程之後或生成過程的後期除去。
在其它實施例中，具體實施上，可以使用不同的方法來製造各種單獨的組件。例如，一些電極可以使用乾式混合處理來生產，而電極的一部分可以使用濕式處理來生產。根據又一實施例，其可將乾式和濕式處理相結合以用於不同的組件。
電池和電池單元設計（Battery and cell design）
電池單元可以是許多不同的形狀和尺寸中的任何一種。舉例來說，可以使用硬幣、棱柱形、袋形或圓柱形的電池。圓柱形電池可具有常規18650、26650、AAA電池、AA電池、A電池、C或D電池或其它電池的直徑和長度。定制電池單元設計可用於某些應用，例如棱柱形電池設計可用於便攜式或車輛應用，以及可用於各種非便攜式應用的各種較大型式的電池。電池組可以專門設計用於特定工具或應用。電池組可以包括一個或多個電池單元以及適當的殼體、接點和導線，以允許在電氣設備中進行可靠的充電和放電。
「第2A圖」至「第2C圖」為可再充電電池單元200、210及220的部分示意圖，其包含電極和離子交換材料，所述離子交換材料與所述電極的至少一部分被配置以界定一個互穿界面。提供緊密接觸的互穿界面可以包含將電極完全或部分地嵌入離子交換材料中，或者替代地，用離子交換材料的薄膜圍繞電極或電極的個別部分。在一個實施例中，電極可以是完全或部分嵌入、塗布或部分接觸離子交換材料的顆粒。
「第2A圖」為包含與多個電化學活性顆粒206中的至少一些接觸的集電器202的可再充電電池單元200之示意圖。另一組顆粒206也接觸並部分嵌入離子交換膜204中。可以通過部分熔化、融合、層壓或壓力附著到顆粒206來定位此離子交換膜。還可以提供電解質（圖中未示）以填充粒子孔隙空間並與離子交換膜204接觸。
「第2B圖」為包括集電器212的可再充電電池單元210之示意圖。每一個粒子216接觸且圍繞離子交換材料214。這個離子交換膜可以在將顆粒結合到可再充電電池單元210中之前，透過塗布附著至顆粒216來定位，還可以提供一種電解質（圖中未示）以填充粒子孔隙空間並與離子交換材料214接觸。
「第2C圖」為包含與多個電化學活性顆粒226中的至少一些接觸的收集器222的可再充電電池單元220之示意圖。另一組顆粒226也接觸並完全嵌入離子交換材料224中。此離子交換材料可以通過熔化或熔合到顆粒226上的位置來定位，還可提供電解質（圖中未示）以接觸離子交換材料224。
例子1（Example 1）
在這個例子中，描述了基於ZnO的陽極的製造，用於具有陰離子交換膜的鹼性可再充電電池，其中陰離子交換膜透過層壓嵌入至電極的表面。以下的糊劑組合物用於陽極製備：ZnO(94 w.%)、碳納米管(1 w.%)、PTFE(5 w.%)。這個組合物被用於製備具有27 w.%的水的黏性糊劑。將此糊劑鋪展以形成約0.6 mm厚的均勻薄膜，所述薄膜被施加到黃銅絲布集電器（Brass wire cloth current collector）上。施加到集電器的陽極薄膜在70°C的真空中乾燥過夜，然後使用滾壓機（Calender Roller Press）壓縮。之後，將37 mm x 25 mm的電極從集電器上的薄膜切下，並且將鎳條接片接到電極上，使用SKY-325R6層壓機在140°C使用速度設定為2，用以在陰離子交換膜兩面層壓電極。
例子2（Example 2）
此實施例描述了具有基於ZnO的陽極的可再充電鹼性鎳鋅電池的製造，所述陽極具有嵌入在電極表面的陰離子交換膜。如上述例子1中所述製備電池的陽極，使用商用燒結鎳電極作為陰極，陰極尺寸為 40 mm x 27mm，容量為 27mAh / cm 2。將鎳條焊接到每個陰極上以形成電極接片，每個陰極密封在隔膜紙中。所述電極堆放在附有洩壓閥的聚丙烯袋內，使電極接片從袋中伸出。將 2 ml 電解質（水溶液中 20% KOH）添加到電池單元中，之後，使用熱封機將電池單元密封。
將電池浸泡4小時後充電，並且隨後通過以下測試方案進行充放電循環：以 162 mA 的恆定電流充電至 1.95V，然後以恆定電壓充電至 173 mAh 總容量；恆定電流放電至 1.2V 或 173 mAh。此測試在室溫下進行。鎳鋅（Ni-Zn）電池的放電容量與循環次數的關係如「第3圖」的圖形300所示。
例子3（Example 3）
此實施例說明用於鹼性可再充電電池的基於鋅金屬的陽極的製造，其中陰離子交換膜通過層壓嵌入至電極表面。以下糊劑組合物用於陽極製備：Zn(79 w.%)、ZnO(14.5%)、Bi2O3(0.5%)、PTFE(5.8 w.%)、CMC(0.2%)。這個組合物被用於製備具有 27 w.% 的水的黏性糊劑。將此糊劑鋪展以形成約 0.6 mm 厚的均勻薄膜，所述薄膜被施加到黃銅絲布集電器上。施加到集電器的陽極薄膜在 70°C 的真空中乾燥過夜，然後使用滾壓機壓縮。之後，將 37 mm x 25 mm 的電極從集電器上的薄膜切下，並且將鎳條接片接到電極上，使用 SKY-325R6 層壓機在140°C使用速度設定為2，用以在陰離子交換膜兩面層壓電極。
使用熔罐（Pot）和拋光技術從形成的陽極研製剖面樣品。剖面SEM圖像和EDX分析結果如「第4圖」至「第6圖」所示意。
「第4圖」顯示了在兩側用陰離子交換膜層壓的鋅(Zn)電極的剖面SEM圖像。帶有陰離子交換膜401的陽極400通過嵌入的黃銅絲布集電器403層壓在電化學活性層402的兩側。由鋅金屬顆粒404組成的電化學活性層與作為添加劑的ZnO、Bi2O3與作為黏合劑的 PTFE 混合。
「第5圖」顯示了在兩側均使用陰離子交換膜層壓的鋅(Zn)電極的SEM圖像500（剖面圖）。此圖像顯示在膜陰性選擇性離子交換材料501（對應於「第4圖」的陰離子交換膜401）和電極電化學活性物質502（對應於「第4圖」的電化學活性層402）之間的緊密接觸的近視圖。
在前面的描述中，參考了構成其中一部分的附圖，並且在附圖中通過說明的方式揭露了可以實踐本說明書的特定實施例。這些實施例已足夠詳細地描述，使本領域技術人員能夠實踐本說明書揭示的概念，並且應當理解，在不脫離本發明揭露範圍的情況下，可以對各種揭示的實施例進行修改，以及可以利用其它實施例。因此，前面的詳細描述不應被認為是限制性的。
在本說明書中提及的“實施例”、“例子”、“示例”或“實施方案”意味著一個特定特徵、結構或特性描述在實施例或示例，包含在本公開的至少一個實施例中。因此，詞組“在一個實施例中”、“在一個例子中”或“在一個示例中”在說明書中的不同地方出現不一定全部指的是同一實施例或示例。除此之外，特定的特徵、結構、資料庫、或特性可以在一個或多個實施例或示例中以任何合適的組合及／或子組合進行組合。此外，應該理解的是，這裡提供的附圖是用於解釋的目的提供給本技術領域的通常知識者，並且附圖不一定按比例繪製。
受益於前述說明和相關附圖中呈現的教示，本領域的技術人員將想到本發明的許多修改和其它實施例。因此，應當理解本發明不限於所揭示的特定實施例，而且修改和實施例被包含在所附的申請專利範圍內。更應理解本發明可以在缺少本文未具體公開的元件／步驟的情況下實踐本發明的其它實施例。
100:電池單元系統 102:殼體 110,112:集電器 120,122:電極材料 130:隔板 200,210,220:可再充電電池單元 202,212,222:集電器 204:離子交換膜 206,216,226:顆粒 214,224:離子交換材料 300:圖形 400:陽極 401:陰離子交換膜 402:電化學活性層 403:黃銅絲布集電器 404:鋅金屬顆粒 500:SEM圖像 501:膜陰性選擇性離子交換材料 502:電極電化學活性物質
第1圖為包含與電極材料接觸的離子交換材料的電池之示意圖。 第2A圖至第2C圖為電極顆粒與離子交換材料之間的各種接觸形式之示意圖。 第3圖為鎳鋅電池單元的放電容量與循環次數的關係之示意圖。 第4圖為鋅電極層壓在具有陰離子交換膜的兩側的剖面 SEM 圖像之示意圖。 第5圖為更詳細的鋅電極層壓在具有陰離子交換膜的兩側的 SEM 圖像之示意圖。
100:電池單元系統
102:殼體
110,112:集電器
120,122:電極材料
130:隔板

Claims (50)

  1. 一種可再充電電池單元，其包含： 一電極；以及 一離子交換材料，其與該電極的至少一部分被佈置以界定一互穿界面。
  2. 如請求項1之可再充電電池單元，其中該電極更包含一含鋅(Zn)陽極。
  3. 如請求項1之可再充電電池單元，其中該電極為包含氫氧化鎳(Ni (OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、二氧化錳(MnO2)、高鐵酸鹽(Fe(VI))、錳酸鹽(Mn (VI))及高錳酸鹽(Mn (VII))至少其中之一的一陰極。
  4. 如請求項1之具有離子交換材料的電極組件，其中該電極為包含選自鉍(Bi)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鉀(K)、鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、釩(V)、鋇(Ba)、釔(Y)、鈦(Ti)及鍶(Sr)的一種或多種添加劑的一陰極，其中，所述添加劑為氧化物或氫氧化物形式。
  5. 如請求項1之可再充電電池單元，其中所述電極至少部分地包含尺寸小於300微米且被填充以具有小於總電極體積的50%的一孔體積的電極顆粒。
  6. 如請求項1之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一陰離子交換材料。
  7. 如請求項1之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一聚合材料。
  8. 如請求項1之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含具有帶正電荷的官能基的一聚合材料。
  9. 如請求項1之可再充電電池單元，其更包含一液態鹼性電解質。
  10. 如請求項1之可再充電電池單元，其更包含具有至少一些結合該離子交換材料的一電解質。
  11. 如請求項1之可再充電電池單元，其更包含液體、固體或凝膠的一電解質。
  12. 如請求項1之可再充電電池單元，其更包含一電解質，該電解質係一吸濕性固體材料，其吸收的水選自KOH、NaOH、LiOH或其任意組合。
  13. 一種可再充電電池單元，其包含： 一電極，該電極包含多個顆粒；以及 一離子交換材料，用以接觸並圍繞該電極的一部分。
  14. 如請求項13之可再充電電池單元，其中該電極更包含一含鋅(Zn)陽極。
  15. 如請求項13之可再充電電池單元，其中，該電極為包含氫氧化鎳(Ni (OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、二氧化錳(MnO2)、高鐵酸鹽(Fe(VI))、錳酸鹽(Mn (VI))及高錳酸鹽(Mn (VII))至少其中之一的一陰極。
  16. 如請求項13之可再充電電池單元，其中該電極為包含選自鉍(Bi)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鉀(K)、鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、釩(V)、鋇(Ba)、釔(Y)、鈦(Ti)及鍶(Sr)的一種或多種添加劑的一陰極，其中，所述添加劑為氧化物或氫氧化物形式。
  17. 如請求項13之可再充電電池單元，其中所述電極至少部分地包含尺寸小於300微米且被填充以具有小於總電極體積的50%的一孔體積的電極顆粒。
  18. 如請求項13之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一陰離子交換材料。
  19. 如請求項13之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一聚合材料。
  20. 如請求項13之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含具有帶正電荷的官能基的一聚合材料。
  21. 如請求項13之可再充電電池單元，其更包含一液態鹼性電解質。
  22. 如請求項13之可再充電電池單元，其更包含具有至少一些結合該離子交換材料的一電解質。
  23. 一種可再充電電池單元，其包含： 一電極，該電極包含多個顆粒；以及 一離子交換材料，用以接觸並完全圍繞每一所述顆粒的一表面。
  24. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該電極更包含一含鋅(Zn)陽極。
  25. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該電極為包含氫氧化鎳(Ni (OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、二氧化錳(MnO2)、高鐵酸鹽(Fe(VI))、錳酸鹽(Mn (VI))及高錳酸鹽(Mn (VII))至少其中之一的一陰極。
  26. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該電極為包含選自鉍(Bi)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鉀(K)、鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、釩(V)、鋇(Ba)、釔(Y)、鈦(Ti)及鍶(Sr)的一種或多種添加劑的一陰極，其中，所述添加劑為氧化物或氫氧化物形式。
  27. 如請求項23之可再充電電池單元，其中所述電極至少部分地包含尺寸小於300微米且被填充以具有小於總電極體積的50%的一孔體積的電極顆粒。
  28. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一陰離子交換材料。
  29. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一聚合材料。
  30. 如請求項23之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含具有帶正電荷的官能基的一聚合材料。
  31. 如請求項23之可再充電電池單元，其更包含一液態鹼性電解質。
  32. 如請求項23之可再充電電池單元，其更包含具有至少一些結合該離子交換材料的一電解質。
  33. 如請求項23之可再充電電池單元，其更包含液體、固體或凝膠的一電解質。
  34. 如請求項23之可再充電電池單元，其更包含一電解質，該電解質係一吸濕性固體材料，其吸收的水選自KOH、NaOH、LiOH或其任意組合。
  35. 一種可再充電電池單元，其包含： 一電極，該電極包含多個顆粒；以及 一離子交換材料，其被佈置為實質嵌入該電極的所有所述顆粒。
  36. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該電極更包含一含鋅(Zn)陽極。
  37. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該電極為包含氫氧化鎳(Ni (OH)2)、羥基氧化鎳(NiOOH)、二氧化錳(MnO2)、高鐵酸鹽(Fe(VI))、錳酸鹽(Mn (VI))及高錳酸鹽(Mn (VII))至少其中之一的一陰極。
  38. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該電極為包含選自鉍(Bi)、銅(Cu)、錫(Sn)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鎂(Mg)、鉀(K)、鋰(Li)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、釩(V)、鋇(Ba)、釔(Y)、鈦(Ti)及鍶(Sr)的一種或多種添加劑的一陰極，其中，所述添加劑為氧化物或氫氧化物形式。
  39. 如請求項35之可再充電電池單元，其中所述電極至少部分地包含尺寸小於300微米且被填充以具有小於總電極體積的50%的一孔體積的電極顆粒。
  40. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一陰離子交換材料。
  41. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含一聚合材料。
  42. 如請求項35之可再充電電池單元，其中該離子交換材料更包含具有帶正電荷的官能基的一聚合材料。
  43. 如請求項35之可再充電電池單元，其更包含一液態鹼性電解質。
  44. 如請求項35之可再充電電池單元，其更包含具有至少一些結合該離子交換材料的一電解質。
  45. 如請求項35之可再充電電池單元，其更包含液體、固體或凝膠的一電解質。
  46. 如請求項35之可再充電電池單元，其更包含一電解質，該電解質係一吸濕性固體材料，其吸收的水選自KOH、NaOH、LiOH或其任意組合。
  47. 一種可再充電電池單元的製造方法，其步驟包括： 在一電極中形成多個顆粒；以及 將一離子交換材料嵌入至該電極的至少一些所述顆粒。
  48. 如請求項47之可再充電電池單元的製造方法，其中所述嵌入更包含熔化、軟化、從熔體沉積、層壓及壓力施加中的至少其中之一。
  49. 如請求項47之可再充電電池單元的製造方法，其中該方法更包含將該電極浸泡在一液體電解質中的步驟。
  50. 如請求項47之可再充電電池單元的製造方法，其中該方法更包含在將該離子交換材料嵌入或混合到至少一些所述顆粒中之前，將該電極和該離子交換材料組裝到一電池中的步驟。
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