專利名稱：具有雙金屬電極的堿金屬離子電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量存儲裝置，更具體地，本發(fā)明涉及如下的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池在充電和放電期間使用液體金屬和電解質(zhì)來運(yùn)行。
背景技術(shù)：
隨著時(shí)間和位置的變化平衡電能的供應(yīng)和需求是在從商業(yè)發(fā)電機(jī)到用電設(shè)備的一系列應(yīng)用中長期存在的問題。供應(yīng)-需求不匹配引起使供應(yīng)的可靠性降低、使用電設(shè)備不方便以及造成收益損失的系統(tǒng)壓力。由于在美國大多數(shù)的電能產(chǎn)生都依賴于化石燃料的燃燒，因此，非最佳的電能管理還促成污染物和溫室氣體的過度排放?？稍偕茉慈顼L(fēng)和太陽能也可能與需求不同步，因?yàn)樗鼈儍H僅是間歇性地起作用的。這種不匹配限制了它們的使用規(guī)模。大規(guī)模能量存儲可以通過緩解常規(guī)能源和可再生能源兩者的供應(yīng)-需求不匹配來支持商業(yè)電能管理。
能量存儲的一種方法是基于電化學(xué)。常規(guī)的鉛酸電池組，是市場上最不昂貴的商業(yè)電池組技術(shù)，一直被用于大規(guī)模電化學(xué)能量存儲。容納有大型的鉛酸電池陣列的設(shè)施已經(jīng)輸送例如IOMW數(shù)量級的高容量電力存儲。然而，這些設(shè)施既不緊湊也不能靈活定位。此夕卜，鉛酸電池組的通常為數(shù)百個數(shù)量級的充放電循環(huán)的短循環(huán)壽命，限制了它們在涉及諸如日常電力管理這樣的在寬電壓范圍上頻繁啟動的應(yīng)用中的性能。這種類型的電池組還不能良好地響應(yīng)于快或深的充電或放電，這降低了它們的效率并且縮短了它們的使用期限。
在美國和日本，鈉硫(“NAS”)電池組已適用于大規(guī)模電力管理設(shè)施。NAS電池組包含跨越固體陶瓷電解質(zhì)而相對的熔融的鈉電極和硫電極。為了使鈉離子傳導(dǎo)最大化，該固體陶瓷電解質(zhì)必須非常薄。然而，這種薄外形帶來的代價(jià)是，它使電解質(zhì)在機(jī)械上易碎并對單個電池的最大尺寸施加了嚴(yán)格的限制。這繼而影響可擴(kuò)展性，即，大容量必須通過許多小電池而不是通過少數(shù)大電池來實(shí)現(xiàn)，這顯著提高了復(fù)雜性，并最終提高了系統(tǒng)的成本。電池構(gòu)造還因?yàn)殁c與水的劇烈反應(yīng)以及鈉在空氣中的快速氧化而復(fù)雜化。發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，電化學(xué)電池具有三個不同的相。第一相限定正電極，所述正電極具有堿金屬以外的兩種元素。第二相包含堿金屬陽離子，并限定兩個分開的界面。第一相在所述界面之一處與第二相接觸。第三相限定負(fù)電極并包含堿金屬。所述第三相與第一相分開并在另一個界面處與第二相接觸。在電池運(yùn)行期間，第一相和第三相的體積分別以彼此為代價(jià)而減少或增加。結(jié)果，第二相從第一位置移動到第二位置。第一相、第二相和第三相可以是固體、液體或者固態(tài)或液態(tài)的組合。在優(yōu)選實(shí)施方式中，堿金屬分別以不同的化學(xué)勢存在于第一相和第三相中，在第一相和第三相之間產(chǎn)生電壓。
另一種實(shí)施方式包括具有兩個不同相的電化學(xué)電池。第一相限定正電極并包含堿金屬和堿金屬以外的兩種其它元素。第二液相包含堿金屬陽離子，并限定兩個分開的界面。第一相在所述界面之一處與第二相接觸。在一些實(shí)施方式中，第一相、第二相和第三相是固體。在其它實(shí)施方式中，第一相、第二相和第三相是液體。在其它實(shí)施方式中，所述相是固態(tài)或液態(tài)的組合。優(yōu)選選擇所述堿金屬以當(dāng)其與第一元素和第二元素組合時(shí)表現(xiàn)出化學(xué)勢的變化。在運(yùn)行電池以輸送或引導(dǎo)電能來驅(qū)動堿金屬從第一液相轉(zhuǎn)移至第二液相或者驅(qū)動堿金屬從第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相期間，第一相的體積增加或減少，由此將能量從外部電路轉(zhuǎn)移至電化學(xué)電池或從所述電化學(xué)電池轉(zhuǎn)移至外部電路。結(jié)果，第二相從第一位置移動到第二位置。
在多種實(shí)施方式中，堿金屬以外的兩種元素獨(dú)立地選自化學(xué)周期表第IVA族、第VA族和第VIA族的元素。在優(yōu)選實(shí)施方式中，這些元素獨(dú)立地選自錫、鉛、鉍、銻、碲和硒之一。在其它優(yōu)選實(shí)施方式中，這些元素是鉛和銻。堿金屬可以是鈉或鋰。第二相可以包含分布在整個第二液相中的難熔粒子。此外，該難熔粒子可以包括金屬氧化物。
第二相可包含堿金屬鹽。該堿金屬鹽可以選自鹵化物、雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽(bistriflimide)、氟磺?；?胺鹽(fluorosulfano-amine)、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、四氟硼酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物中的一種或多種。
在某些實(shí)施方式中，電化學(xué)電池包含三個相，每個相具有與其它相不同的密度。因此，第一相具有第一密度，第二相具有比第一密度低的第二密度，并且第三相具有比第二密度低的第三密度。類似地，在其它實(shí)施方式中，電化學(xué)電池包含兩個相，每個相具有與另一個相不同的密度。因此，第一相具有第一密度，并且第二相具有比第一密度低的第二密度。
在某些實(shí)施方式中，電化學(xué)電池被配置成與外部裝置交換電能。例如，外部裝置可以是能源或能量負(fù)載。電化學(xué)電池還可以包含容納三個相的容器、與第一相電連接的電極(electrical pole)、以及與第三相電連接的另一個電極。
除了別的以外，電化學(xué)電池具有小于約30kWh的總?cè)萘?。在其它?shí)施方式中，電化學(xué)電池具有大于約30kWh的總?cè)萘俊?br> 按照其它實(shí)施方式，一種電池組包含兩個或更多個與上面討論的那些類似的電化學(xué)電池。在其它實(shí)施方式中，一種系統(tǒng)包含多個串聯(lián)電連接的與上面討論的那些類似的電池組?？蛇x地，所述系統(tǒng)可以包含多個并聯(lián)電連接的所述的電池組，或者多個串聯(lián)和并聯(lián)電連接的所述的電池組。
在其它實(shí)施方式中，一種方法存儲從外部電路轉(zhuǎn)移的電能。為此目的，所述方法提供至少一個具有三個液相的電化學(xué)電池。第一液相限定正電極并包含堿金屬以外的兩種兀素。第二液相包含堿金屬陽離子，并限定兩個分開的界面。第一相在所述界面之一處與第二相接觸。第三液相限定負(fù)電極并包含堿金屬。所述第三相與第一相分開并在另一個界面處與第二相接觸。所述電化學(xué)電池被配置成與外部電路連接。所述外部電路被電連接到電化學(xué)電池的負(fù)極和正極。運(yùn)行所述外部電路以驅(qū)動電能，所述電能驅(qū)動堿金屬從第一液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第三液相，或者驅(qū)動堿金屬從第三液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相。第一相的體積減少或增加，同時(shí)第三相的體積分別減少或增加，由此將能量轉(zhuǎn)移至所述外部電路以及從所述外部電路轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)電池。結(jié)果，第二相從第一位置移動到第二位置。
在其它實(shí)施方式中，一種方法將電能從電化學(xué)電池釋放到外部電路。所述方法包括提供至少一個具有三個液相的電化學(xué)電池。第一液相限定正電極并包含堿金屬以外的兩種元素。第二液相包含堿金屬陽離子，并限定兩個分開的界面。第一相在所述界面之一處與第二相接觸。第三液相限定負(fù)電極并包含堿金屬。所述第三相與第一相分開并在另一個界面處與第二相接觸。所述電化學(xué)電池被配置成與外部電路順序連接。所述外部電路被電連接到電化學(xué)電池的負(fù)極和正極。順序地運(yùn)行所述外部電路以驅(qū)動電能，所述電能驅(qū)動堿金屬從第一液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第三液相，或者驅(qū)動堿金屬從第三液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相，第一相的體積增加或減少，同時(shí)第三相的體積分別減少或增加，由此將能量從所述外部電路轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)電池或者從所述電化學(xué)電池轉(zhuǎn)移至外部電路。結(jié)果，第二相從第一位置移動到第二位置。
在其它實(shí)施方式中，另一種方法存儲從外部電路轉(zhuǎn)移的電能。該方法提供至少一個具有兩個液相的電化學(xué)電池。第一液相限定正電極并包含堿金屬以外的兩種兀素。第二液相包含堿金屬陽離子，并限定兩個分開的界面。第一相在所述界面之一處與第二相接觸。所述電化學(xué)電池被配置成與外部電路連接。所述外部電路被電連接到電化學(xué)電池的負(fù)極和正極。運(yùn)行所述外部電路以驅(qū)動電能，所述電能驅(qū)動堿金屬通過第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相或者從第一液相轉(zhuǎn)移通過第二液相。在電池的運(yùn)行期間，第一相的體積減少或增加，由此將能量轉(zhuǎn)移至所述外部電路或者從所述外部電路轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)電池。結(jié)果，第二相從第一位置移動到第二位置。
在一些實(shí)施方式中，所述方法包括與電力機(jī)組、電力傳輸線或外部電路中的一個或多個連接的電化學(xué)電池，所述外部電路輸送從可再生能源轉(zhuǎn)變的能量。在一些實(shí)施方式中，所述方法包括一種如下的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池是用于提供不間斷電力供應(yīng)的系統(tǒng)的一部分。
所述方法包括一種如下的電化學(xué)電池，其中堿金屬是鈉或鋰。在一些實(shí)施方式中，所述方法包括一種如下的電化學(xué)電池，其中第二液相包含分布在整個第二液相中的難熔粒子。除了別的以外，所述方法可以包括一種如下的電化學(xué)電池，其中第二相包含堿金屬的鹵化鹽。


通過參照附圖參考下面的詳細(xì)描述，實(shí)施方式的上述特征將更容易得到理解，其中:
圖1是示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的自組裝的堿金屬離子能量存儲電化學(xué)電池的縱斷面；
圖2A-2C是示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的堿金屬離子能量存儲電化學(xué)電池的充電過程的縱斷面，2A當(dāng)電池放電時(shí)，2B電池在運(yùn)行中并與能源(充電電路)連接，以及2C電池充電；
圖3A-3C是示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的堿金屬離子能量存儲電池的放電過程的縱斷面，3A當(dāng)電池充電時(shí)，3B電池在運(yùn)行中并與負(fù)載連接，以及3C電池放電；以及
圖4是示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的堿金屬離子能量存儲電池的另一種實(shí)施方式的縱斷面。
圖5是Na、Pb和Sb的二元(三角形的邊)和三元(三角形的內(nèi)部)合金的熔點(diǎn)的溫度圖。
圖6是多種Sb-Pb濃度在500°C下的電壓隨Li濃度變化的曲線圖。
圖7A是在450°C下運(yùn)行、在250mA/cm2下循環(huán)并用29摩爾％Li (Li2Sb2Pb3)組裝的Li ISb-Pb電池的所施加電流隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖7B是在450°C下運(yùn)行、在250mA/cm2下循環(huán)并用29摩爾％Li (Li2Sb2Pb3)組裝的Li ISb-Pb電池的電壓響應(yīng)隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖8A是Li I I Sb-Pb電池的容量隨充放電循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。
圖8B是Li I I Sb-Pb電池的效率隨充放電循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。
圖9是多種Sb-Pb濃度在500°C下所測量到的電壓隨Na濃度變化的曲線圖。
所述圖通常沒有按比例繪制，并且通常在本質(zhì)上是示意性的。
具體實(shí)施方式
在說明性實(shí)施方式中，裝置(例如電池組)具有正電極和負(fù)電極，所述正電極具有兩種不是堿金屬的元素，所述負(fù)電極具有堿金屬組分。這些電極相互合作，以有效地存儲能量并跨越電解質(zhì)輸送能量。盡管這些電極和電解質(zhì)優(yōu)選為液相，但一些實(shí)施方式將它們維持在固相。下面討論了多種實(shí)施方式的詳細(xì)情況。
在本文中使用時(shí)，術(shù)語“電池組”可以涵蓋具有正電極、負(fù)電極和電解質(zhì)的單個電化學(xué)電池或電池單元，以及具有電化學(xué)電池陣列的配置。圖1示出了按照本發(fā)明的說明性實(shí)施方式配置的由10 —般性地指示的堿金屬離子能量存儲電池。電池10具有三個不同的構(gòu)成部分:熔融金屬主體14，其用作負(fù)電極，也稱為活性金屬電極；導(dǎo)電性多元素液體主體16，其用作正電極；以及介于中間的離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)20。
導(dǎo)電層14、16和20被限制在容器22中，容器22說明性地是導(dǎo)電性的并向絕緣性內(nèi)部護(hù)套24提供機(jī)械支撐。護(hù)套24防止負(fù)電極14和正電極16之間經(jīng)由容器22電子傳導(dǎo)而引起的短路。容器22被蓋子26覆蓋，蓋子26說明性地是導(dǎo)電性的。電絕緣性密封件29將蓋子26與容器22電隔離，以將熔融成分和蒸氣限制在容器22內(nèi)。蓋子26的與負(fù)電極14接觸的這部分用作負(fù)集流器27，電子可以穿過負(fù)集流器27經(jīng)由與蓋子26接觸的負(fù)端子28到達(dá)外部源或匯點(diǎn)(未示出)。
容器22的與正電極16接觸的這部分用作正集流器23，電子可以穿過正集流器23經(jīng)由與容器22相連的正端子30到達(dá)外部源或負(fù)載。負(fù)端子28和正端子30被定向成便于通過下述方式串聯(lián)布置單個電池單元:將一個電池單元的負(fù)端子28連接于另一個電池單元10的正端子30以形成電池組。
電池10還具有覆蓋負(fù)電極14的惰性氣體層32，以適應(yīng)三相系統(tǒng)中由I)充電和放電或者2)溫度變化產(chǎn)生的總體積變化。任選地，蓋子26或密封件29包含安全壓力閥(未示出)。
容器22和蓋子26各自由如下的材料形成，該材料具有必要的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度以及對液體電極14和16以及電解質(zhì)20的化學(xué)侵蝕的耐受性。對于某些化學(xué)成分來說，軟鋼可能是用于容器22和蓋子26的合適材料。護(hù)套24可以由電絕緣性材料形成，并且相對于兩個液體電極14和16以及電解質(zhì)20應(yīng)當(dāng)是耐腐蝕的。對于某些化學(xué)成分來說，氮化硼、氮化鋁、氧化鋁和氧化鎂可能是用于護(hù)套24的合適材料。密封件29可以由一種或多種材料例如氧化鎂水泥、硼酸鋁玻璃和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它高溫密封劑形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本申請所要求的以常規(guī)方式來構(gòu)造容器22和其它所指出的組件，其中包括電極和電解質(zhì)化學(xué)成分方面的考慮。
在說明性實(shí)施方式中，構(gòu)建電極14和16以及電解質(zhì)20以產(chǎn)生如下的化學(xué)和物理性質(zhì)，該性質(zhì)是與構(gòu)造的簡單和經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)健性以及電能的快速且有效的接收和輸送相容的。因此，如上面所指出的，熔融電極14和16的化學(xué)組合物被相關(guān)聯(lián)地配制成包含活性堿金屬，例如各自具有不同熱力學(xué)活性的鋰、鈉、鉀、銣或銫，由此在電極14和16之間產(chǎn)生電壓。
為了在負(fù)電極14和正電極16之間建立活性堿金屬的熱力學(xué)差異，電極14和16中的至少一個包括堿金屬以外的一種或多種附加元素。任何這樣的附加元素例如可以在電極14或16的液體組合物中混溶以與堿金屬形成合金，或者在運(yùn)行條件下與堿金屬一起存在于化合物中。優(yōu)選地，所述附加元素被選擇成使得所述合金在低于600°C的溫度下熔化。選擇所述一種或多種附加元素以將正電極16構(gòu)成為如下的環(huán)境，S卩，當(dāng)電池10處于充電狀態(tài)中時(shí)，與負(fù)電極14相比,活性堿金屬的熱力學(xué)活性相對較低。正電極16可以是液相溶液，通常被稱為活性堿金屬的合金?？蛇x地，正電極16可以包括活性堿金屬和一種或多種其它元素的液相復(fù)合物。
將正電極金屬與電負(fù)性較低的金屬合金化能夠降低液體金屬合金的熔點(diǎn)(S卩，銻在631°C下熔化，而鉛銻共晶合金在253°C下熔化)。這繼而允許電池在較低的溫度下運(yùn)行和/或更有效地運(yùn)行。降低陰極材料的熔點(diǎn)還能夠提高堿金屬在陰極中的溶解極限，這表示陰極的容量增加，并且降低電池的每單位能量存儲容量的成本。此外，電池在較低的溫度下運(yùn)行應(yīng)該會遇到較少的腐蝕，并且有可能延長電池的運(yùn)行壽命。
在為電極14和16選擇附加元素時(shí)，許多因素是重要的。例如，這些因素特別是包括電極14和16中的化學(xué)平衡和溶液熱力學(xué)、它們與電解質(zhì)20的相互作用、它們的相對密度、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。優(yōu)選的是選擇可建立低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的合金的元素。理想情況下，電極14或16中的那些附加元素中的任一個都不應(yīng)以下述方式與電解質(zhì)中的離子相互作用，即，所述方式會提供電荷傳輸?shù)母偁幮酝緩讲⒁?guī)避規(guī)定的電極反應(yīng)。
正如所指出的，除了堿金屬之外，正電極16還包含至少兩種附加元素。因此，在下面所描述的放電和充電順序期間，正電極16—直都是多元素的。二元或更多元組合物的正電極16可以具有如下的物理性質(zhì)，該性質(zhì)允許電池10在比只包含一種附加元素的電極可能具有的運(yùn)行溫度低的溫度下運(yùn)行。可能適合包含于正電極16中的元素包括以下元素中的一種或多種:元素周期表第IIIA族、第IVA族、第VA族和第VIA族的元素例如鋁、鎵、銦、硅、鍺、錫、鉛，磷族元素例如砷、鉍和銻，以及硫族元素例如碲和硒。所述一種或多種附加元素中的每一種元素可以以至少5%、10%、25%或更高的濃度存在于正電極16中。
電極14和16可以包括其它物質(zhì)種類，例如以調(diào)制物理性質(zhì)或使得能夠?qū)Ψ烹姵潭冗M(jìn)行電化學(xué)監(jiān)測，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的。例如，可以以較小的量添加一種或多種過渡金屬或準(zhǔn)金屬，例如銅、硅、鐵或鎵，以調(diào)節(jié)密度和/或熔點(diǎn)。
電池10的電解質(zhì)20可以是包含活性堿金屬鹽和一種或多種支撐化合物的液體，所述活性堿金屬鹽在此被稱為活性陽離子。在一種實(shí)施方式中，電解質(zhì)20還可以包含一種或多種與其它電解質(zhì)成分形成糊狀物的成分。例如，電解質(zhì)20可以包含被熔融鹽所施加毛細(xì)作用力保持在電解質(zhì)中的難熔化合物例如氧化鋁或氧化鎂的填料粒子。所述填料可以用作增稠劑，以促進(jìn)電解質(zhì)20中高流動性液體例如熔融鹽在電池10中的應(yīng)用，從而為給定的電池電壓提供相對高的電流密度。電解質(zhì)20的糊狀制劑也可以降低其中的活性堿金屬的溶解性，改善電池10的效率。電池10可以包含結(jié)構(gòu)元件(未示出)例如網(wǎng)狀體，以將被構(gòu)成為糊狀物的電解質(zhì)20保持在電極14和16之間的適當(dāng)位置。
在一些實(shí)施方式中，所述活性堿金屬鹽是活性堿金屬的鹵化物例如氯化物?？蛇x地，活性堿金屬鹽例如可以是非氯化物的鹵化物、雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽、氟磺?；?胺鹽、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、四氟硼酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物。通常添加支撐化合物來增強(qiáng)離子傳導(dǎo)性，和/或抑制通過電解質(zhì)的導(dǎo)電性。支撐電解質(zhì)可以包括陰離子例如鹵陰離子、雙(三氟甲磺酰)亞胺陰離子、氟磺?；?胺陰離子、高氯酸陰離子、六氟磷酸陰離子、四氟硼酸陰離子、碳酸陰離子或氫氧陰離子，以及陽離子例如堿金屬或堿土金屬陽離子、酰亞胺陽離子、胺陽離子、銨陽離子、憐陽離子或吡咯烷離子。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，電解質(zhì)20中的離子可以處于絡(luò)合狀態(tài)。
電解質(zhì)20中的其它添加劑可以降低粘度、降低熔點(diǎn)、改變密度、降低蒸氣壓或引入絡(luò)合配體，所述配體降低了中性的活性堿金屬在電解質(zhì)20中的溶解性，以使電流泄漏或自放電最小化。支撐電解質(zhì)和任何其它添加劑可以具有足夠負(fù)性的生成自由能，以將電極反應(yīng)限制為活性堿金屬的氧化和還原。教導(dǎo)電解質(zhì)組合物的選擇的這些和其它考慮是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
在一種實(shí)施方式中，電極14和16以及電解質(zhì)20的組合物可以被配制成使得可以在相對低的溫度下例如在低于約例如500°C或400°C的溫度下達(dá)到全液體運(yùn)行。在相對低的溫度下運(yùn)行可以降低金屬鈉在電解質(zhì)20中的溶解性。隨著運(yùn)行溫度降低，諸如電池成分的揮發(fā)、結(jié)構(gòu)弱化、輔助材料的化學(xué)侵蝕以及用于維持電極14和16以及電解質(zhì)20的流動性所需要的電力方面的困難有望變得更可管理，從而降低了電池10的運(yùn)行成本。
電極14和16以及電解質(zhì)20可以被進(jìn)一步配制成使得它們的密度是按照它們在電池10中的功能而排序的。分別具有以負(fù)電極14/電解質(zhì)20/正電極16的順序增加(如圖1中所示)或降低的密度的多種實(shí)施方式，可以在熔融后自發(fā)地自組裝成圖示的垂直堆疊的分層結(jié)構(gòu)，以提供從坯料的更簡單的制造。
堿金屬離子電池10中的能量存儲不限于獲得或維持其運(yùn)行溫度的任何具體方法?？梢栽讵?dú)立的加熱腔內(nèi)使用足夠的過熱將形成液相14、16和20中的任一個的成分熔化，以允許轉(zhuǎn)移到容器22中。在另一種方法中，可以在運(yùn)行之前或運(yùn)行期間使用例如被放置在容器22的壁內(nèi)的外部加熱器(未示出)?？蛇x地，電池10可以在運(yùn)行期間通過所施加的超電勢自加熱。用于實(shí)現(xiàn)和管理熔融成分的溫度曲線的技術(shù)，以及可能有益于使用液體堿金屬電極實(shí)施電力存儲的電冶金系統(tǒng)的其它實(shí)用方面，例如與熔融鹽和液體金屬一起使用的設(shè)備的構(gòu)造，是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，并且已經(jīng)例如被描述在共同擁有的于2007年8月15日提交的序列號為11/839，413、于2009年7月20日提交的序列號為12/505，937、于2010年7月19日提交的序列號為12/839，130的在審美國專利申請，以及序列號為4，999, 097和5，185,068的美國專利中，通過參考將所述所有美國專利申請和美國專利的全部公開內(nèi)容并入本文中。
電池10可以包含循環(huán)發(fā)生器，所述循環(huán)發(fā)生器被配置成在構(gòu)成負(fù)電極14、正電極16以及電解質(zhì)20 (在液體電解質(zhì)的情況下)的各個層中的一個或多個層內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，正如序列號為12/839，130的美國專利申請中所描述的，所述美國專利申請已在前面通過參考并入本文中。所產(chǎn)生的循環(huán)誘導(dǎo)一個或多個層的液體材料分別流向在電解質(zhì)20與電極14或16之間的界面之一或兩者中，以及從所述界面之一或兩者中流出。
說明性堿金屬離子電池10經(jīng)由電化學(xué)途徑通過在兩個導(dǎo)電性熔融電極14和16之間傳輸堿金屬來接收或輸送能量，所述堿金屬在此被稱為活性堿金屬。包含活性堿金屬陽離子的液體電解質(zhì)20使得能夠在充電或放電期間對活性堿金屬進(jìn)行離子傳輸。
本發(fā)明的電化學(xué)電池優(yōu)選通過下述方式被構(gòu)造成完全放電的狀態(tài)，首先將堿金屬和兩種其它元素的三元合金熔化作為陰極。然后加入電解質(zhì)。然后安裝負(fù)電極集流器，并在氬氣填充的試驗(yàn)容器內(nèi)將電池加熱到運(yùn)行溫度。
圖2A-2C示出了電池10在充電期間的機(jī)能。圖2A示出了未充電或放電狀態(tài)的電池10。在充電之前,正電極16含有活性堿金屬原子。負(fù)電極14在活性金屬-電解質(zhì)界面42處與電解質(zhì)20相遇。以相應(yīng)的方式，正電極16在分開的合金-電解質(zhì)界面46處與電解質(zhì)20相遇。正如下面所顯示和討論的，這些界面在充電和放電期間移動，同時(shí)維持電解質(zhì)的總體積，而正電極和負(fù)電極的體積以彼此為代價(jià)而增加或減少。換句話說，正電極16的體積增加或減少分別與負(fù)電極14的體積減少或增加相關(guān)聯(lián)。
具體地，圖2B示出了充電過程。為了啟動充電，端子28和30與外部充電電路48連接，外部充電電路48驅(qū)動活性堿金屬從正電極16通過電解質(zhì)20，在負(fù)電極14中成為處于較高化學(xué)勢的中性金屬。在充電期間，電子電流從外部電路通過負(fù)集流器27傳導(dǎo)至負(fù)電極14中，并傳導(dǎo)到活性金屬-電解質(zhì)界面42?；钚躁栯x子M+跨越電解質(zhì)20朝著活性金屬-電解質(zhì)界面42移動。活性陽離子和電子在界面42處相遇,并在還原半電池反應(yīng)M++f — M中被消耗。在半電池反應(yīng)中產(chǎn)生的中性活性堿金屬原子M積累于負(fù)電極14。隨著活性堿金屬M(fèi)在負(fù)電極14中累積，活性金屬-電解質(zhì)界面42以進(jìn)一步遠(yuǎn)離負(fù)集流器27的方式移動。在合金-電解質(zhì)界面46處，正電極中的活性堿金屬原子M在半電池反應(yīng)M — M++e-中被氧化。隨著活性陽離子M+進(jìn)入電解質(zhì)20，電子被釋放以穿過正集流器23到達(dá)外部充電電路48?；钚詨A金屬原子M的氧化使正電極16收縮，并且合金-電解質(zhì)界面46朝著正集流器23移動。
圖2C示出了在其最終的充電狀態(tài)的電池10。充電已通過活性堿金屬原子的損失而改變了至少正電極16的組成。事實(shí)上,在一些實(shí)施方式中，正電極16在充放電循環(huán)中的這個點(diǎn)名義上可以不含活性堿金屬。負(fù)電極14的厚度已以正電極16為代價(jià)而增加。由于充電過程相對于活性陽離子是保守的，因此，電解質(zhì)20的厚度原則上不改變。
被沉積在熔融活性金屬電極14中的活性堿金屬表示所存儲的可以基本上無限期地保持的電能，只要沒有外部電路將兩個電極14和16連接即可。電池10中的半電池反應(yīng)產(chǎn)生了保留在電極14和16處并與電解質(zhì)接觸的液相產(chǎn)物。當(dāng)電極14和16以及電解質(zhì)20仍然是其液態(tài)時(shí)，活性堿金屬和活性陽離子可用于經(jīng)由電化學(xué)途徑使充放電機(jī)械化。這種可逆性使得活性堿金屬離子電池適合在能量存儲用電池組中使用。
圖3A-3C示出了電池10放電。圖3A示出了充電狀態(tài)的電池10，而圖3B示出了與外部負(fù)載49連接的電池端子28和30，所述外部負(fù)載49啟動放電。在放電期間，活性堿金屬作為活性陽離子自發(fā)地從負(fù)電極14移動通過電解質(zhì)20，并在正電極16中恢復(fù)成處于較低化學(xué)勢的中性金屬。電子電流通過正集流器23和正電極16傳導(dǎo)入電池中，到達(dá)合金-電解質(zhì)界面46。活性陽離子M+跨越電解質(zhì)20朝著合金-電解質(zhì)界面46遷移?；钚躁栯x子M+和電子在界面46處在還原半電池反應(yīng)M++e_ — M中被消耗。所產(chǎn)生的中性活性堿金屬原子M積累于正電極16。隨著活性堿金屬M(fèi)在負(fù)電極16中累積,合金-電解質(zhì)界面46以進(jìn)一步遠(yuǎn)離正集流器23的方式移動。在活性金屬-電解質(zhì)界面42處，負(fù)電極16中的活性堿金屬原子M在半電池反應(yīng)M —M++e_中被氧化。所產(chǎn)生的活性陽離子M+進(jìn)入電解質(zhì)20，并且釋放的電子穿過負(fù)集流器27到達(dá)外部負(fù)載49。隨著活性金屬-電解質(zhì)界面42朝著負(fù)集流器27移動，活性堿金屬原子的氧化引起負(fù)電極14的損耗。
圖3C示出了在其最終的放電狀態(tài)的電池10。由于活性堿金屬原子的積累，充電已經(jīng)改變了至少正電極16的組成。正電極16的厚度已以負(fù)電極14為代價(jià)而增加。由于放電過程相對于活性堿金屬陽離子是保守的，因此理想情況下，電解質(zhì)20的厚度不改變。
圖2A-2C和3A-3C的充放電順序表示所設(shè)想的在使用期間的電池10的實(shí)例。在備選的實(shí)施方式中，當(dāng)完全放電時(shí)，整個負(fù)電極14可以被完全使用——構(gòu)成負(fù)電極14的整個液體物料遷移到正電極16。這不同于圖2A-2C和3A-3C中示出的實(shí)施方式。此外，一些實(shí)施方式可以使用固相電極14和16和/或固相電解質(zhì)20來實(shí)施電池10。固相電極對于電池10的運(yùn)輸可能是有利的。
電解質(zhì)層在整個充放電循環(huán)中基本上恒定的厚度使得能夠使用與電極的厚度相比相對薄的電解質(zhì)層。薄電解質(zhì)層與熔融鹵化物固有的低電阻率組合，可以使與電解質(zhì)相關(guān)的歐姆超電勢最小化。負(fù)電極14和正電極16各自可以容納的活性堿金屬的量較小，這可能限制了電池10的能量容量。在原則上不增加電解質(zhì)20的質(zhì)量或其相關(guān)的IR壓降的情況下，通過按比例加大電極14和16中的材料的量，可以擴(kuò)大電池10的能量容量。例如，電解質(zhì)20的厚度可以僅為電極14和16中任一個的厚度的10%、20%或50%的數(shù)量級。
已經(jīng)觀察到，在一些情況下，電解質(zhì)比熔融金屬例如正電極的合金更容易潤濕容器的底部。這種潤濕不希望地阻斷了正電極與容器之間的電子傳導(dǎo)。因此，在一些情況下，可能希望通過壓縮適配在容器22的底部中引入諸如另一種金屬的材料的插頭，其用作正集流器23。正電極16的合金優(yōu)選具有比電解質(zhì)20大的可潤濕性，從而保證了熔融的正電極16和正端子30之間的導(dǎo)電性途徑。
備選實(shí)施方式消除了對所示出的用于電池10 (圖1)和電池組50 (圖4)的容器22的內(nèi)表面進(jìn)行電絕緣的費(fèi)用和復(fù)雜性。為此目的，集流器27與負(fù)電極接觸，以使得負(fù)電極具有不與容器22物理接觸、而允許僅與集流器27和電解質(zhì)20接觸的幾何形狀。
在另一種備選實(shí)施方式中，堿金屬離子能量存儲電池被配置成在容器22的搖動或翻倒期間通過阻止電極14和16的兩種導(dǎo)電性液體的混和來增強(qiáng)穩(wěn)健性。在共同擁有的序列號為12/505，937和12/839，130的在審美國專利申請中討論了液體電極的這種特征，所述美國專利申請已在前面通過參考并入本文中。
堿金屬離子電池10 (圖1)或50 (圖4)可能能夠快速接收和發(fā)送電力，由此橋接供應(yīng)-需求的不匹配。能量存儲電池可以在諸如北極嚴(yán)寒和沙漠炎熱的極端溫度下運(yùn)行而對地理位置沒有限制，并且可以以可移動的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
功率容量可以是大的，例如在1MW/10m2的數(shù)量級，并且出于適應(yīng)性可以從民用應(yīng)用中使用的多種中等規(guī)模容量擴(kuò)展成工業(yè)和電力管理應(yīng)用中的多種大規(guī)模容量。在將堿金屬離子能量存儲電池的容量擴(kuò)展成使其適應(yīng)于大規(guī)模應(yīng)用的數(shù)兆瓦(MW)數(shù)量級的要求中，有幾種方法是可行的。在一種方法中，可以在單個大的堿金屬離子能量存儲電池中，通過增加電極14和16的質(zhì)量并由此增加可用于在電池內(nèi)轉(zhuǎn)移的堿金屬的質(zhì)量，來開拓可擴(kuò)展性。在另一種方法中，包含多個串聯(lián)連接的較小的堿金屬離子電池的電池組，可以提供更實(shí)用地與用于服務(wù)大規(guī)模系統(tǒng)所必需的電力電子裝置集成的更高的電池組電壓。在又一種方法中，電池陣列可以以串聯(lián)和并聯(lián)連接的方式互連，以在由于單個電池失靈引起的故障方面提聞穩(wěn)健性。
堿金屬離子能量存儲電池的一種潛在用途在于大規(guī)模發(fā)電機(jī)。能量需求方面的晝夜波動降低了機(jī)組的效率，由此通過防止發(fā)電機(jī)晝夜不停地以最佳輸出水平運(yùn)行而使排放增加。具有大于IMW的功率容量的高容量電能存儲設(shè)備可以允許負(fù)載均衡，負(fù)載均衡是通過下述方式實(shí)現(xiàn)的:在低需求的時(shí)間段期間從發(fā)電機(jī)向存儲裝置下傳電力，然后在有較高需求的時(shí)間期間向電網(wǎng)上傳電力，允許電力機(jī)組以更恒定的水平運(yùn)行并具有較少的功率峰值。
堿金屬離子能量存儲電池的第二種潛在用途在于可再生能源轉(zhuǎn)化器。供應(yīng)方面的變化性使得由可再生能源產(chǎn)生的電力的管理是富有挑戰(zhàn)性的。諸如風(fēng)和太陽能的能源僅僅間歇性地產(chǎn)生。在沒有足夠的電力存儲的情況下，需要另外的發(fā)電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，以在風(fēng)停止吹動或天空布滿烏云的情況下運(yùn)行。發(fā)電機(jī)過量這種形式的未充分利用的資本最終可能限制可再生能源的使用規(guī)模。與可再生能源結(jié)合使用的可靠的高容量電存儲裝置應(yīng)當(dāng)提供專門的負(fù)載平衡，由此支持在電網(wǎng)上實(shí)施可再生能源。這樣的組合也應(yīng)當(dāng)支持在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，例如定期運(yùn)送燃料可能是困難的地區(qū)中，用間歇性可再生能源替代發(fā)電機(jī)。
堿金屬離子能量存儲電池的第三種潛在用途在于支持傳輸線。傳輸和分配系統(tǒng)通常沒有存儲容量。因此，電網(wǎng)必須滿足瞬時(shí)需求。當(dāng)傳輸線上的負(fù)載接近其容量時(shí)，它將遭受沉重的歐姆損失，這使其效率降低。此外，由此產(chǎn)生的電阻加熱可使系統(tǒng)組件熔化并引起傳輸線故障?？捎糜谔岣哓?fù)載中心處的供應(yīng)的具有必要的功率容量(數(shù)十個MW)的便攜式發(fā)電機(jī)，可能是有噪聲、有污染的并且需要定期添加燃料。當(dāng)傳輸線達(dá)到容量限制時(shí)，升級或更換傳輸線是非常昂貴、費(fèi)時(shí)的并且經(jīng)常遭到公眾的反對。
位于負(fù)載中心附近的可重新定位的堿金屬離子能量存儲單元，能夠在一天的高峰時(shí)間段期間供應(yīng)一部分由傳輸線承載的能量，由此緩解傳輸線上的負(fù)載需求。理想情況下，存儲單元會提供顯著的一部分，例如傳輸線的容量的至少2%至20%，所述傳輸線的容量通常在500MW的數(shù)量級。這樣的單元能夠推遲傳輸線的升級需要?？蛇x地，可部署便攜式堿金屬離子能量存儲單元以在系統(tǒng)故障后供應(yīng)緊急電力，或者在構(gòu)建新傳輸線期間維持電力輸送。然后，當(dāng)不再需要時(shí)，所述存儲單元可被重新定位。
來自于負(fù)載中心的分配系統(tǒng)遭受到類似的問題，但是是在低得多的負(fù)載下，能夠使用便攜式電力存儲單元類似地解決該問題。需要恒定的電力供應(yīng)的商業(yè)和民用用電設(shè)備特別容易受到停電的影響。輔助性發(fā)電機(jī)對于備用來說是不太理想的，因?yàn)樗鼈冃枰獣r(shí)間來達(dá)到全輸出水平。這些用電設(shè)備會受益于被配置成在電網(wǎng)-電力故障的情況下提供電力的備用電力系統(tǒng)或不間斷電力系統(tǒng)(“UPS”)。被配置成在電力中斷時(shí)放電的已充電堿金屬離子能量存儲單元能夠滿足該需要。最后，對電壓的不規(guī)則敏感的設(shè)備可能受到局部暫時(shí)限制用電或所輸送電力中其它不協(xié)調(diào)因素的不利影響。被配置成放電以消除偏離于期望的功率水平的已充電堿金屬離子能量存儲單元形式的UPS，能夠用作電網(wǎng)與設(shè)備之間的緩沖器，以確保高電力質(zhì)量。
據(jù)期望，許多大規(guī)模的實(shí)施裝置具有大于約30kWh的容量。容量小于30kWh的堿金屬離子能量存儲電池可以在小的商業(yè)或民用水平實(shí)施，其中諸如太陽能電池板或單個風(fēng)力渦輪機(jī)的能源可用于對電池進(jìn)行充電。這樣的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供連續(xù)的電力來源，以維持商業(yè)或民用設(shè)施的能量需求。在用電力線輸入電力是非常昂貴或不可行的遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)中，可以有利地使用這些類型的電池系統(tǒng)。當(dāng)然，可以在多種其它環(huán)境例如城市或郊區(qū)環(huán)境中使用這樣的系統(tǒng)。
因此，堿金屬離子能量存儲電池可以實(shí)現(xiàn)高電流容量，同時(shí)在合金組合物中使用低成本的豐富的金屬。此處所討論的堿金屬、電解質(zhì)和多種組合的合金的選擇允許自組裝電池并能夠進(jìn)行低成本制造。
實(shí)施例
實(shí)施例1:
在本文中被稱為鈉銻鉛電池的一種實(shí)施方式中，電池的活性堿金屬是鈉，鈉例如可以占負(fù)電極的重量的大于60%或80%。正電極中修飾鈉活性的附加元素是銻和鉛。電解質(zhì)基于例如NaCl、KCl和LiCl，它們的共晶組合物在Tm〈400°C下熔化。該電池的優(yōu)選的運(yùn)行溫度可以為約400°C。
在該電池的充電狀態(tài)中，負(fù)電極可以是商業(yè)純的鈉，正電極最初可以是完全由銻和鉛以1:1的原子比構(gòu)成的雙金屬電極；并且，電解質(zhì)可以是與氧化鋁粒子混合以構(gòu)成糊狀物的NaCl-KCl-LiCl共晶混合物。可以根據(jù)圖5中示出的溫度圖來選擇鈉、銻和鉛的比例，圖5示出了 Na、Pb和Sb的二元(三角形的邊)和三元(三角形的內(nèi)部)合金的熔點(diǎn)。從圖5中可以看出，在電化學(xué)電池的運(yùn)行期間，從充電狀態(tài)(2/3Sb:l/3Pb，在250-300°C的范圍內(nèi)熔化)到放電狀態(tài)(2/5Na: 2/5Sb: l/5Pb，在450-500°C的范圍內(nèi)熔化)，正電極的組成改變，并且合金的熔點(diǎn)也改變。
在說明性電池的放電期間，一定量的鈉從負(fù)電極轉(zhuǎn)移到正電極，以原子計(jì)，該量等于正電極16中銻的量，以致正電極具有2:2:1比例的鈉、銻和鉛的最終組成。最初和最終的組合物在低于500°C的溫度下是液體，這使得能夠進(jìn)行電池的低溫運(yùn)行。在放電完成后，與電池的充電狀態(tài)相比，活性金屬電極的質(zhì)量和尺寸減小。
完全充電的鈉銻鉛電池的開路電壓可以在IV的數(shù)量級。例如鈉銻鉛電池的實(shí)際的開路電壓受到電極中活性堿金屬的活性的影響，如由能斯托(Nernst)方程所表示的。所述活性可以表現(xiàn)出很大的非理想狀態(tài)，其可以將電池的開路電壓位移到大于或小于其預(yù)期電壓的值。隨著活性堿金屬的物料在電極之間移動，各自的化學(xué)勢的變化改變了開路電池電壓，因此它在充放電循環(huán)期間可能不是恒定的。
實(shí)施例2:
將Li金屬沉積到具有多種組成(即40:60摩爾％、30:70摩爾％和18:82摩爾％)的Sb-Pb合金中。隨著Li被沉積,記錄L1-Sb-Pb合金與Li之間的電壓。圖6中示出了多種Sb-Pb濃度在500°C下的電壓隨Li濃度變化的曲線圖。
令人驚訝的是，我們觀察到在500°C下測得的Li I I Sb-Pb電池(圖6)中40_60摩爾％Sb-Pb合金相對于Li的電壓大于Li I I Sb電池中純Sb相對于Li的電壓。我們將這些結(jié)果歸因于Li沉積到固體銻(熔點(diǎn)為670°C)中與Li沉積到Sb-Pb合金中相比的熵效應(yīng)，Sb-Pb合金在運(yùn)行溫度下是液體(熔點(diǎn)為450°C)(即，液體中的混合熵促使反應(yīng)的自由能改變，這繼而使電池電壓增加)。
構(gòu)造并成功運(yùn)行了多種Sb-Pb摩爾比的Li I Sb-Pb電池。該電池被構(gòu)造成完全放電的狀態(tài)，其中預(yù)熔化的L1-Sb-Pb作為陰極。加入電解質(zhì)LiF-LiCl-LiI,安裝負(fù)電極集流器，并在氬氣填充的試驗(yàn)容器內(nèi)將電池加熱到運(yùn)行溫度。該電池表現(xiàn)出0.88V的開路電壓，這與滴定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。該電池成功地在高電流密度(250mA/cm2)下循環(huán)(參見圖7A和7B以及圖8A和8B)，表現(xiàn)出高庫侖效率和Li的高利用率。一些電池被組裝有Li2Sb2Pb3(29摩爾％Li)組合物的金屬合金，并在循環(huán)的整個放電部分期間維持高電池電壓(0.88V開路電壓)。該電池表現(xiàn)出1.06V的充電電壓和0.68V的放電電壓(圖7B)。由于當(dāng)電流流過時(shí)所遇到的IR超電勢，這些電壓不同于0.88V的開路(零電流)電壓。如圖8A和8B中所示，理論容量(基于合金中Li的量)為IAh,并且該電池成功地以0.85Ah的容量循環(huán),證實(shí)了 Sb-Pb合金中Li的高利用率和高溶解性。在前12個循環(huán)期間，該電池還表現(xiàn)出99.5%的高庫侖效率。往返能量效率為65%。
已用Li8182Sb3Pb7 (45摩爾％Li)的合金組合物構(gòu)造了另外的電池，它們表現(xiàn)出Li的高利用率，獲得了 1.35Ah的容量(理論容量為1.5Ah，或者90%的Li利用率)。
實(shí)施例3:
將Na金屬沉積到具有多種組成(即40:60摩爾%、30:70摩爾%和18:82摩爾%)的Sb-Pb合金中。隨著Na被沉積，記錄Na-Sb-Pb合金與Na之間的電壓。圖9中示出了多種Sb-Pb濃度在500°C下所測得的電壓隨Na濃度變化的曲線圖。
上面所描述的本發(fā)明能量存儲裝置的實(shí)施方式可以組合容量、經(jīng)濟(jì)性、靈活性和長壽命。盡管本發(fā)明的特定特征包含于一些實(shí)施方式和附圖中而沒有包含于其它實(shí)施方式和附圖中，但應(yīng)該注意的是，每個特征都可以與本發(fā)明的其它特征中的任一個或全部相組合。因此，可以看出，對于小規(guī)模、中等規(guī)模和大規(guī)模系統(tǒng)的存儲以及增強(qiáng)商業(yè)能量管理而言，上述方法代表了高度有利的方法。在此處采用的術(shù)語和表述被用作說明性而不是限制性的術(shù)語，并且在使用這樣的術(shù)語和表述時(shí)，不打算排除所示和描述的特征或其部分的任何等同物。
上面所描述的以及在附圖中所示出的本發(fā)明實(shí)施方式旨在僅僅是示例性的；許多變體和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。所有這樣的變體和修改旨在包含于所附任一項(xiàng)權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.裝置，其包含: 第一液相，其限定正電極，所述正電極包含第一元素和第二元素，所述第一元素和第二元素是堿金屬以外的元素； 第二液相，其包含堿金屬陽離子，所述第二液相限定第一界面和第二界面，所述第一液相在第一界面處與第二液相接觸；以及 第三液相，所述第三液相與第一液相分開并限定負(fù)電極，所述負(fù)電極包含堿金屬，所述第三液相在第二界面處與第二液相接觸；并且所述第一界面和第二界面是分開的， 第一相的體積增加或減少分別與第三相的體積減少或增加相關(guān)聯(lián)。
2.裝置，其包含: 第一液相，其限定正電極，所述正電極包含堿金屬、第一元素和第二元素，所述第一元素和第二元素是堿金屬以外的元素；以及 第二液相，其包含堿金屬陽離子，所述第二液相限定第一界面和第二界面，所述第一液相和第二液相在第一界面處接觸； 所述第一界面和第二界面是分開的， 所述第一液相的體積在使用期間增加或減少。
3.裝置，其包含: 第一固相，其限定正電極，所述正電極包含第一元素和第二元素，所述第一元素和第二元素是堿金屬以外的元素； 第二固相，其包含堿金屬陽離子，所述第二固相限定第一界面和第二界面，所述第一固相在第一界面處與第二固相接觸；以及 第三固相，所述第三固相與第一液相分開并限定負(fù)電極，所述負(fù)電極包含堿金屬，所述第三固相界面在第二界面處與第二固相接觸； 所述第一界面和第二界面是分開的。
4.裝置，其包含: 第一固相，其限定正電極，所述正電極包含堿金屬、第一兀素和第二兀素，所述第一兀素和第二元素是堿金屬以外的元素；以及 第二固相，其包含堿金屬陽離子，所述第二固相限定第一界面和第二界面，所述第一固相和第二固相在第一界面處接觸； 所述第一界面和第二界面是分開`的。
5.權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中所述第一元素和第二元素獨(dú)立地選自化學(xué)周期表第IVA族、第VA族和第VIA族的元素。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中所述第一元素和第二元素包含錫、鉛、鉍、銻、碲和硒中的至少一種。
7.權(quán)利要求6的裝置，其中所述第一元素和第二元素是鉛和銻。
8.權(quán)利要求1或3的裝置，其中所述堿金屬以分別不同的化學(xué)勢存在于第一相和第三相中，在第一相和第三相之間產(chǎn)生電壓。
9.權(quán)利要求2或4的裝置，其中選擇所述堿金屬以當(dāng)其與第一元素和第二元素組合時(shí)表現(xiàn)出化學(xué)勢的變化。
10.權(quán)利要求1或4的裝置，其中所述堿金屬是鈉或鋰。
11.權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中所述第二液相包含分布在整個第二液相中的難熔粒子。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中所述難熔粒子包含金屬氧化物。
13.權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中第二相包含堿金屬的鹵化鹽。
14.權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中第二相包含選自鹵化物、雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽、氟磺?；?胺鹽、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、四氟硼酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物中的一種或多種的堿金屬鹽。
15.權(quán)利要求1或3的裝置，其中 第一相具有第一密度， 第二相具有比第一密度低的第二密度，并且 第三相具有比第二密度低的第三密度。
16.權(quán)利要求2或4的裝置，其中 第一相具有第一密度，并且 第二相具有比第一密度低的第二密度。
17.權(quán)利要求1或4的裝置，其中所述裝置被配置成與外部裝置交換電能。
18.權(quán)利要求1或4的裝置，其還包含電池，所述電池含有三個相、與第一相電連接的電極、以及與第三相電連接的電極。
19.存儲從外部電路轉(zhuǎn)移的電能的方法，所述方法包括: 提供至少一個電化學(xué)裝置，所述電化學(xué)裝置包含 第一液相，其限定正電極，所述正電極包含堿金屬以外的第一兀素和第二兀素； 第二液相，其包含堿金屬陽離子，所述第二液相與第一液相接觸，并限定第一界面和第二界面；以及 第三液相，所述第三液相與第一液相分開并限定負(fù)電極， 所述負(fù)電極包含堿金屬，并且所述第三液相與第二界面接觸， 并且其中所述第一界面和第二界面是分開的， 所述裝置被配置成與外部電路連接； 將所述外部電路電連 接到裝置的負(fù)極和正極；并且 運(yùn)行所述外部電路以便產(chǎn)生或獲得電能來驅(qū)動堿金屬從第一液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第三液相，或者驅(qū)動堿金屬從第三液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相，第一相的體積增加或減少分別與第三相的體積減少或增加相關(guān)聯(lián)，由此將能量轉(zhuǎn)移至所述外部電路或從所述外部電路轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)裝置。
20.存儲從外部電路轉(zhuǎn)移的電能的方法，所述方法包括: 提供至少一個電化學(xué)裝置，所述電化學(xué)裝置包含 第一液相，其限定正電極，所述正電極包含堿金屬以外的第一兀素和第二兀素； 第二液相，其包含堿金屬陽離子，所述第二液相與第一液相接觸，并限定第一界面和第二界面，并且其中所述第一界面和第二界面是分開的，所述裝置被配置成與外部電路連接; 將所述外部電路電連接到所述裝置的負(fù)極和正極；并且運(yùn)行所述外部電路以便產(chǎn)生電能來驅(qū)動堿金屬轉(zhuǎn)移至第二液相或者從第二液相轉(zhuǎn)移，分別增加或減少第一液相的體積，由此將能量轉(zhuǎn)移至所述外部電路或從所述外部電路轉(zhuǎn)移至所述電化學(xué)裝置。
21.權(quán)利要求19或20的方法，所述方法包括將外部源、然后是外部負(fù)載順序地電連接到所述裝置。
22.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述外部電路是電力機(jī)組。
23.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述外部電路是電力傳輸線。
24.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述外部電路輸送從可再生能源轉(zhuǎn)變的能量。
25.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述裝置是用于提供不間斷電力供應(yīng)的系統(tǒng)的一部分。
26.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述堿金屬是鈉或鋰。
27.權(quán)利要求19或20的方法，其中所述第二液相包含分布在整個第二液相中的難熔粒子。
28.權(quán)利要求19或20的方法，其中第二相包含堿金屬的鹵化鹽。
29.電池組，其包含兩個或更多個的根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置。
30.電池組，其包含兩個或更多個的根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置。
31.系統(tǒng)，其包含多個串聯(lián)電連接的根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的電池組。
32.系統(tǒng)，其包含多個并聯(lián)電連接的根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的電池組。
33.系統(tǒng)，其包含多個串聯(lián)和并聯(lián)電連接的根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的電池組。
34.權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中所述裝置的總?cè)萘啃∮诩s30kWh。
35.權(quán)利要求 1、2、3或4的裝置，其中所述裝置的總?cè)萘看笥诩s30kWh。
36.存儲從外部電路轉(zhuǎn)移的電能的方法，所述方法包括: 提供至少一個電化學(xué)裝置，所述電化學(xué)裝置包含 第一液相，其限定正電極，所述正電極包含堿金屬以外的第一兀素和第二兀素； 第二液相，其包含堿金屬陽離子，所述第二液相與第一液相接觸，并限定第一界面和第二界面；以及 第三液相，所述第三液相與第一液相分開并限定負(fù)電極， 所述負(fù)電極包含堿金屬，并且所述第三液相與第二界面接觸， 并且其中所述第一界面和第二界面是分開的， 所述裝置被配置成與外部電路連接； 將所述外部電路電連接到裝置的負(fù)極和正極；并且 運(yùn)行所述外部電路以便引導(dǎo)電能來驅(qū)動堿金屬從第三液相通過第二液相轉(zhuǎn)移至第一液相，第一相的體積增加與第三相的體積減少相關(guān)聯(lián)，由此將能量從所述電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)移至所述外部電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有含堿金屬的熔融電極的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池經(jīng)由包含堿金屬鹽的電化學(xué)途徑通過在具有不同化學(xué)勢的電極環(huán)境之間傳輸堿金屬原子來提供電力的接收和輸送。當(dāng)堿金屬與一種或多種非堿金屬組合時(shí)，堿金屬的化學(xué)勢降低，從而在包含熔融堿金屬的電極與包含組合的堿金屬/非堿金屬的電極之間產(chǎn)生電壓。
文檔編號H01M10/39GK103155234SQ201180045279
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者達(dá)恩·A·博伊森, 大衛(wèi)·J·布拉德維爾, 蔣凱, 金昊鐘, 路易斯·A·奧蒂茲, 多納德·R·薩多維, 阿麗娜·A·托馬佐夫斯卡, 韋偉峰, 王康麗 申請人:麻省理工學(xué)院