[发明专利]水溶剂化玻璃/非晶态固体离子导体有效

专利信息
申请号: 201680035679.5 申请日: 2016-06-09
公开(公告)号: CN107750406B 公开(公告)日: 2021-02-12
发明(设计)人: 约翰·B·古迪纳夫;玛丽亚·海伦娜·苏萨·索尔斯·德·奥利维拉·布拉加;约瑟·乔治·多·阿马拉尔·费雷拉 申请(专利权)人: 德克萨斯大学系统董事会;波尔图大学;LNEG国家能源和地质学实验室
主分类号: H01M8/1016 分类号: H01M8/1016;H01M8/124;H01M10/0562;H01M10/36;H01G11/56;H01G11/62;H01G11/84;C01B11/00;C01B25/30;C01B25/32;C01B33/24;C01B33/32;C01D5/02;C01F11
代理公司: 中山市华朋弘远知识产权代理事务所(普通合伙) 44531 代理人: 汤畅阳
地址: 美国得*** 国省代码: 暂无信息
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摘要:
搜索关键词: 溶剂 玻璃 晶态 固体 离子 导体
【说明书】:

本公开内容提供水溶剂化玻璃/非晶态固体(其为离子导体‑电子绝缘体)和电介质以及使用该材料的电化学装置和方法,所述电化学装置和方法例如为电池组(包括可再充电电池组、燃料电池)、电容器、电解槽、和电子装置。所述电化学装置和产品使用离子导电和电子导电以及内部电偶极子的组合。

技术领域

本公开内容提供经干燥的水溶剂化玻璃/非晶态固体,其为碱离子导体和具有大介电常数的电子绝缘体。本公开内容还提供了使用这种材料的电化学装置和方法,例如电池组(包括可再充电电池组、燃料电池)、电容器、由水电解生成的化学品(包括氢气(H2))、以及电子装置。电化学装置和产品使用离子导电和电子导电两者的组合。本公开内容还提供水溶剂化玻璃/非晶态固体,其为质子(H+)导体和电子绝缘体。

背景技术

离子导体(同时也是电子绝缘体)被称为电解质;它们可以是液体或固体。电解质被用于各种电化学装置中,所述各种电化学装置不仅包括将电力作为化学能量储存在可再充电电池组中的那些电化学装置或者在燃料电池中作为电力释放化学能的那些电化学装置,而且还包括将电力作为静电电能储存在电双层电容器中的那些电化学装置。从电能储库(无论是从化学储库还是从静电储库)释放的电力是清洁能源。储存在燃料中并作为燃烧热释放的化学能是一种低效过程,并且燃烧还伴随有污染空气并加剧全球变暖的气体释放。

电化学电池包含两个电极(即阳极和阴极)之间的电解质。液体电解质需要使用可透过液体电解质的两个电极的分隔;所述分隔防止电池内两个电极之间发生电子接触。固体电解质可以兼作电解质和分隔两者。在可再充电电池组中,阳极是还原剂;在燃料电池中,阳极催化还原剂燃料分离成其电子组分和离子组分的分离过程。在两种类型的电池中,将两个电极之间的化学反应的离子组分传输至电池内电解质中的阴极,但电解质迫使电子组分经由外部电路作为电压V下的电子电流I运动至阴极,以提供用于做功的电力P=IV。由于电解质中的离子电导率远小于良好金属中的电子电导率,所以利用大面积电极和薄电解质来制造电池组电池和燃料电池;制造活性电极材料以与金属集流体发生电子接触,用于在活性电极颗粒和外部电路之间快速传输电子,以及与电解质发生离子接触,以在电池内部的电极之间传输离子。

具有大介电常数的固体电解质也可以在电子装置中用作液体或气体反应物以及固体反应物的分隔。

与大多数已知的固体相比,液体在室温下通常为优良得多的离子导体,这是为什么通常使用液体作为室温装置的电解质的原因。然而,在一些应用中,可能特别优选固体电解质。例如,锂离子可再充电电池组使用可燃有机液体作为电解质,并且固体电解质将会更安全,而且能够在不牺牲充电和放电速率的情况下提高所储存的能量密度。此外,如果固体电解质还含有为其提供高介电常数的电偶极子,则其相比液体可以在金属/电解质界面的电双层的电容中储存多得多的电能。

在电双层电容器中,金属电极制造为提供最大的电极/电解质界面。在充电时,电解质中的离子将穿过电双层的电极中带相反电荷的电子或电子空穴固定住。穿过双层的电子和空穴的间隔小(原子尺度),因此电容大。在放电时,在阳极处固定的电子穿过外部电路以与阴极中固定的电子空穴复合,并且电解质内部的可移动离子回到平衡位置。如果电解质具有大的介电常数ε′r,则电双层的电容提高。利用具有大介电常数的固体电解质,电容大幅提高,因此使得可以构建如下电池:在所述电池中,所储存的电能具有与电池组中一样的法拉第(Faradaic)组分和与电双层电容器中一样的电容组分。

发明内容

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