[发明专利]用于水性电解质能量储存的复合阳极结构和含有所述结构的装置

说明书

本发明提供一种用于能量储存装置的阳极电极，其包括离子嵌入材料和赝电容材料两者。所述离子嵌入材料可以是NASICON材料，如NaTi2(PO4)3，并且所述赝电容材料可以是活性碳材料。所述能量储存装置还包括阴极、电解质以及隔膜。

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2012年12月12日提交的美国临时专利申请第61/736,137号以及2013年8月21日提交的美国非临时专利申请第13/972,409号的权益。这些申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及电化学电池集并且尤其涉及混合能量储存装置。

背景技术

小型可再生能量收集和发电技术(如太阳能电池阵列、风力涡轮机、微型斯特林(sterling)发动机以及固体氧化物燃料电池)不断发展，并且存在对中等尺寸二级(可再充电的)能量储存容量的相称的强烈需求。用于这些固定应用的能量储存蓄电池典型地储存1kWh与50kWh之间的能量(取决于应用)并且以往是基于铅-酸(Pb酸)的化学反应。蓄电池典型地包含串联和并联式连接的多个个别的电池以获得所需系统容量和总线电压。

对于车辆和固定储存应用来说，取决于应用，蓄电池通常具有数百或数千伏特的总线电压。在这些情况下，其中多个单元串联式电性连接，典型地存在使这些电池尽可能彼此类似的内在需求。在电池未足够类似的情况下，通常需要监测电池电平并且控制电路。如果一串电池中的一些组电池具有低于同一串中的其它电池的充电容量，那么较低容量电池将在完全放电或所述串充电期间达到过度充电/充电不足状态。这些较低容量电池将是非稳定的(典型地归因于电解质腐蚀反应)，导致蓄电池的寿命性能降低。这一作用在多种蓄电池化学反应中是常见的并且在Li离子蓄电池中和超级电容器包中显著可见。在这些系统中，如果未按照严格(并且昂贵)的精度生产电池，那么需要高成本并且复杂的电池电平管理系统。

发明内容

一个实施例涉及用于能量储存装置的阳极电极，其包括离子嵌入材料和赝电容材料两者。离子嵌入材料可以是NASICON材料，如NaTi2(PO4)3，并且赝电容材料可以是活性碳材料。

另一实施例涉及操作包含多个电性连接的电化学能量储存电池的能量储存装置的方法，其中各电池包含负阳极电极，其包含离子嵌入材料和电化学双层电容和/或赝电容材料两者；正阴极电极；隔膜；以及水性电解质，所述方法包含使所述多个电化学能量储存电池充电和放电，其中电化学双层电容和/或赝电容材料通过吸收充电步骤期间释放的氢物质来保护离子嵌入材料不受腐蚀。

附图说明

图1说明根据实施例的个别的电化学电池。

图2是根据实施例的装置的分解视图，所述装置在壁型聚合物壳体内部含有四个串联式连接的棱柱形/平行堆叠。

图3是图2的壳体的透视图。图4是图3中示出的串联式电性连接的七个壳体堆叠的透视图。这一壳体堆叠包括28个串联式连接电池的棱柱形/平行堆叠以形成约56V蓄电池系统。

图5是多个串联式电性连接的壳体堆叠的示意性透视图。

图6A是来自具有λ-MnO2阴极结构和含有活性碳和NaTi2(PO4)3的复合阳极的单一电池以伏特计的电池电势与以任意单位计的容量的曲线图。电容/赝电容、过度充电以及嵌入操作模式的不同电压特征在随容量变化的不同区域中通过相应的字母C、OC以及I表示。