[发明专利]利用包含表面光滑添加剂的电解质的方法和储能设备

说明书

优先权

本发明要求于2012年6月13日提交的美国专利申请第13/495,745号的优先权，其标题为“利用包含表面光滑添加剂的电解质的方法和储能设备(Methods and Energy Storage Devices Utilizing Electrolytes Having Surface-Smoothing Additive)”；本发明还要求于2012年2月7日提交的美国专利申请第13/367,508号的优先权。

关于联邦政府资助的研究或发展的说明

本发明在美国能源部授予的合同号为DE-AC05-76RL01830的政府资助下而做出。该政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

电沉积广泛用于将具有所需性质的功能材料覆盖到原本不具备该性质的表面上。在电沉积过程中，电解质溶液中的带电荷反应物扩散或是借助于电场而移动，从而覆盖电极的表面。例如，电流可以减少反应物阳离子，以在阳极上产生沉淀。或者，电解质溶液中的反应物的阴离子可以扩散或是借助于电场而移动，从而覆盖阴极的表面，反应物阴离子在阴极氧化，从而在电极上形成沉淀。

电沉积已经成功地用于耐摩擦和磨损、腐蚀保护、光滑性、美学品质等领域中。其也出现在某些储能设备的运行中。例如，在金属电池或金属离子电池的充电过程中，电解质中的金属离子从阴极移动并沉积在阳极上。一些具有不饱和碳-碳双键或三键的有机化合物被用在非水电解质中作为添加剂，并且被电化学还原而沉积在阳极表面上或被氧化而沉积在阴极表面上而形成固体电解质界面层，该固体电解质界面层作为锂电池的阳极和阴极上的保护膜。一些其他在分子中具有共轭键的有机化合物被电化学氧化而沉积在阴极表面上形成导电聚合物，作为储能设备的有机阴极材料。

在大多数的情况下，理想的是光滑的电沉积涂层。例如，光滑电镀膜可以增强用于装饰、耐磨损、腐蚀保护和润滑的膜的使用寿命。光滑电镀膜也是储能设备、特别是二级设备所需要的。在这些储能设备的充电/放电过程中，电极表面上产生的粗糙膜和/或树突可导致危险状况、短路、降低容量和/或缩短使用寿命。

粗糙和/或树突可以由多种原因导致，所述原因包括电流密度在电沉积基底(例如阳极)表面上的不均匀分布，以及电沉积材料和/或基底对于电解质溶液、反应物和盐的反应性不一致。在储能设备的重复充电-放电循环的特定情况下，这些效应可以复合。因此，需要用于电沉积和储能设备的改进的电解质，以增强所得膜的光滑度。

发明内容

本文记载了用于电沉积和储能设备的电解质，其产生在运行过程中不可避免的自修复(self-healing)的而非自增大(self-amplification)的初始凸起尖端。所述凸起尖端可引起在电沉积基底和设备电极上的粗糙和/或树突形成。

为了将第一金属(M1)从电解质溶液中的一种或多种M1的阳离子电沉积到阳极上，电解质溶液的实施方案包含含有金属(M2)的可溶性的表面光滑添加剂。M2的阳离子在溶液中具有比M1的阳离子更低的有效电化学还原电势(ERP)。

在本文中所使用的，阳离子在M1和/或M2的上下文中指的是具有净的正电荷的原子或分子。在一个实例中，原子或分子中电子的总数可以少于质子的总数，使该原子或分子具有净的正电荷。所述阳离子并不一定为金属的阳离子，而还可以为非金属阳离子。非金属阳离子的至少一个实例为铵离子。在任何具体情况下，阳离子不限于+1氧化态。在本文的一些描述中，阳离子可以通常以X⁺表示，其通常指的是任意氧化态，不仅是+1。

M1金属的实例可以包括但不限于基本的金属或含有以下的合金：Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、Te、Bi、Po、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、W、Pt、Au和/或Hg。优选地，M1是一种基本的金属材料，其包括Li、Zn、Na、Mg、Al、Sn、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、Pt或Au。最优选地，M1包括Li。