[发明专利]具有可溶性阳极的混合型电化学发生器

说明书

相关申请的相互参引

本申请要求2008年11月4日提交的61/198,237号美国临时申请和2009年10月1日提交的61/247,882号美国临时申请的优先权，每篇申请的全部内容通过引用纳入本文，以其内容不与本说明书相抵触为限。

背景技术

最近几十年，在电化学贮存和转化装置所做出的革新扩大了这些体系在许多领域中的应用，包括便携式电子装置、航空航天技术和生物医学仪器领域。现有技术水平的电化学贮存和转化装置具有的设计和性能属性是特别为提供与多种应用需求和操作环境的相容性而设计的。例如，已开发出了先进的电化学贮存体系，覆盖了从用于植入医疗器械的具有极低的自放电速率和高放电可靠性的高能量密度电池，到为不同便携式电子装置提供长运行时间的廉价、轻质可充电电池，再到能在短时间内提供极高的放电速率的用于军事和航空航天应用的高容量电池的范围。

尽管这种不同系列的先进电化学贮存和转化体系已被开发并广泛应用，但仍存在很大压力来刺激研究，以扩展这些体系的功能，从而使装置的应用范围更广。例如，对高功率便携式电子产品需求的大量增长激发了对开发安全的、能提供更高能量密度的轻质原电池和二次电池的浓厚兴趣。此外，在电子产品和仪器领域中，消费者对小型化的需求进一步刺激了对减小尺寸、质量的新的设计和材料方案及高性能电池的形成因素的研究。此外，对电动车和航空航天工程领域的持续开发激发了对机械性能稳固、高可靠性、高能量密度和高功率密度电池的需求，该电池在可用的运行环境范围内具有良好的装置性能。

在电化学贮存和转化技术方面的许多最新进展可直接归因于对电池组件用新材料的发现和整合。例如，由于对这些体系中所用新电极和电解质材料的发现，因而使锂电池技术至少部分地持续快速发展。从对正极的嵌入主体材料例如氟化的碳材料和纳米结构的过渡金属氧化物的开创性发现和优化，到对高性能非水电解质的开发，新材料方案的实施革新了锂电池体系的设计和工作容量。此外，对负极的嵌入主体材料的开发已导致了对具有高容量、良好稳定性和有效循环寿命的基于锂离子的二次电池的发现和商业化。由于这些进展，目前基于锂的电池技术被广泛采用而用于多种重要应用中，包括用于便携式电子体系的电化学原电池和电化学二次电池。

市售的一次锂电池体系通常使用锂金属负极来产生锂离子，在放电过程中，锂离子通过液相或固相电解质进行传输，并在含有嵌入主体材料的正极发生嵌入反应。还开发出了双嵌入(dual intercalation)锂离子二次电池，其中锂金属被负极的锂离子嵌入主体材料替代，所述锂离子嵌入主体材料例如碳(如石墨、焦炭等)、金属氧化物、金属氮化物和金属磷化物。同时发生的锂离子嵌入和脱出反应使锂离子能在放电和充电过程中在正极和负极嵌入电极之间迁移。负极的锂离子嵌入主体材料的掺入具有的显著优点：避免了金属锂的使用，由于锂具有高反应性和非外延沉积性，在充电时易出现安全问题。

元素锂具有独特的性能组合，这使得其在电化学电池中的使用受到青睐。首先，其原子质量为6.94AMU，是周期表中最轻的金属。其次，锂具有极低的电化学氧化/还原电位，即相对于NHE(标准的氢参比电极)为-3.045V。这种独特的性能组合使基于锂的电化学电池具有极高的比容量。在关于锂电池技术的材料方案和电化学电池设计方面的进展已实现了能提供有效装置性能的电化学电池，所述性能包括：(i)高电池电压(例如，最高达约3.8V)，(ii)基本恒定的(例如平坦的)放电曲线，(iii)长的贮存寿命(例如最长达10年)，和(iv)在不同的工作温度下均可运行(例如-20至60摄氏度)。由于这些有益特征，一次锂电池被广泛用作便携式电子装置及其他重要装置应用中的能源，所述其他应用包括电子、信息技术、通讯、生物医学工程、传感、军事和照明。

现有技术水平的锂离子二次电池能提供优良的充电-放电特征，因此也已被广泛用作便携式电子装置例如移动电话和便携式计算机中的能源。美国专利第6,852,446、6,306,540、6,489,055号和“Lithium Batteries Science and Technology”(由Gholam-Abbas Nazri和Gianfranco Pistoia所编，Kluer Academic Publishers，2004)涉及锂及锂离子电池体系，所述文献的全部内容在此通过引用纳入本文。