热能供能电化学电池的制作方法

本公开涉及通过热能进行供能的包含固体金属聚合物/玻璃电解质的电化学电池。

背景

电化学电池具有被电解质隔开的两个电极，即阳极和阴极。在传统的电化学电池中，这些电极中的材料同时具有电子活性和化学活性。阳极是化学还原剂，并且阴极是化学氧化剂。阳极和阴极都能够获得和失去离子，通常能够获得和失去相同的离子，该离子被称为电池的工作阳离子。电解质是工作离子的导体，但通常它不能获得和失去离子。电解质是电子绝缘体，它不允许电子在电池内移动。在传统的电化学电池中，在电化学电池循环之前，阳极和阴极两者或至少其中之一包含工作阳离子。

电化学电池通过具有电子和离子成分的两个电极之间的反应来运行。电解质对电池内部的工作阳离子进行传导，并且迫使也参与反应的电子通过外部电路。

电池可以是简单的电化学电池，或者可以是多个电化学电池的组合。

可充电电化学电池和包含这种电化学电池的可充电电池组通常使用来自外部电源的电能进行充电。

技术实现要素：

本公开提供了一种热能供能电化学电池，其包括阳极、阴极和固体金属聚合物/玻璃电解质。与固体金属聚合物/玻璃电解质的总重量相比，固体金属聚合物/玻璃电解质包含1重量％至50重量％的金属聚合物，并且与固体金属聚合物/玻璃电解质的总重量相比，固体金属聚合物/玻璃电解质包含50重量％至90重量％的固体玻璃电解质。固体玻璃电解质包含工作阳离子和电偶极子。

下列附加特征可以与上述热能供能电化学电池组合，可以与本说明书中的任何其他特征组合，并且可以任何组合彼此组合，除非明确相互排斥：

i)热能供能电化学电池在给定温度下或给定温度范围内可递送的电功率(pdis)是具有相同阳极，相同阴极和固体玻璃电解质但缺少金属聚合物的电化学电池的至少85％；

ii)热能供能电化学电池在给定温度下或给定温度范围内可递送的电功率(pdis)是具有相同阳极，相同阴极和固体玻璃电解质但缺少金属聚合物的电化学电池的至少125％；

iii)热能供能电化学电池的杨氏模量可以小于120gpa/mm²；

iv)固体金属聚合物/玻璃电解质的杨氏模量可以小于120gpa/mm²；

v)热能供能电化学电池的最大外表面的表面积至少为1m²；

vi)在25oc下，固体金属聚合物/玻璃电解质的离子电导率至少为固体玻璃电解质的离子电导率的25％；

vii)阳极可包括金属箔；

viii)阳极可包括碳；

ix)金属聚合物可以包括金属聚丙烯酸盐；

x)金属聚丙烯酸盐可包括聚丙烯酸钠；

xi)金属聚合物可以包括金属聚乙二醇；

xii)金属聚合物中的金属可以包括钠(na)、锂(li)或铝(al)；

xiii)固体金属聚合物/玻璃电解质可以粘附在阴极、阳极或这两者上；

xiv)工作阳离子可以包括锂离子(li⁺)、钠离子(na⁺)、钾离子(k⁺)、镁离子(mg²⁺)、铜离子(cu⁺)或铝离子(al³⁺)；

xv)偶极子可具有通式ayxz或通式ay-1xz^-q，其中，a是li、na、k、mg和/或al，x是s和/或o，0<z≤3，y足以确保通式ayxz的偶极子的电荷中性或通式ay-1xz^-q的偶极子的-q电荷，并且1≤q≤3；

xvi)偶极子可以包括最高达固体玻璃电解质重量的50重量％的偶极子添加剂；

xvii)偶极子添加剂可以包括具有通式ayxz或通式ay-1xz^-q的化合物中的一种或其组合，其中，a是li、na、k、mg和/或al，x是s、o、si和/或oh，0<z≤3，y足以确保通式ayxz的偶极子添加剂的电荷中性或通式ay-1xz^-q的偶极子添加剂的-q电荷，并且1≤q≤3；

xviii)阴极可包括金属箔；

xix)阴极可包括碳；

xx)阴极可包括金属泡沫；

xxi)阴极可包括金属氧化物；

xxii)热能供能电化学电池可以由太阳能进行供能；

xxiii)热能供能电化学电池可以由体热进行供能；

xxiv)热能供能电化学电池可以由废热进行供能。

本公开还包括一种热能供能电池系统，其包括本文上面或他处所述的任何热能供能电化学电池。

本公开还包括热能供能电池系统，其包括本文上面或他处所述的任何热能供能电化学电池，以及电连接到热能供能电化学电池的可充电电池或燃料电池。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其特征和优点，现在结合附图进行以下描述。

图1是根据本公开的热能供能电化学电池的示意性截面图。

图2是为led进行供能的热能供能al/na⁺-玻璃+聚合物/cu电化学电池的照片。

发明详述

本公开涉及热能供能电化学电池和热能供能电池，以及包含这种热能供能电化学电池和热能供能电池的各种装置，以及使用这种电化学电池和电池的方法。这些热能供能装置可以将热能转换成直流电。

诸如图1所示的热能供能电化学电池10包含两个电极20，即阴极20a和阳极20b，在它们之间具有如本文所述的固体金属聚合物/玻璃电解质30。电极20可以是大面积电极。固体金属聚合物/玻璃电解质30包括固体玻璃电解质40(表示为其包含的偶极子)和金属聚合物50。热能供能电化学电池使用工作阳离子，该工作阳离子可以是碱金属阳离子，例如li⁺、na⁺、k⁺，或金属阳离子，例如mg²⁺、cu⁺和/或al³⁺。热能供能电化学电池可以是全固态电化学电池。

电池，例如本公开的热能供能电池，包含至少具有另外的组件的电化学电池，所述另外的组件例如是另一电化学电池，壳体，电触件，控制设备(例如计算机或处理器)，仪表或传感器，或安全设备(例如切断开关或灭火设备)。因此，电池可以像纽扣电池、果冻卷形电池(jellyroll)或棱柱形电池一样简单，或者像汽车或其他车辆电池或大型网格、家用或工业蓄电池一样复杂。本公开的热能供能电池可以是全固态电池。

下文更具体地描述了热能供能电化学电池，但是本公开同样适用于包含这种热能供能电化学电池的热能供能电池。

热能供能和自充电/自循环

本公开的热能供能电化学电池也表现出自充电和自循环行为。自充电是在电化学电池中在开路时不施加充电电功率(pch)的情况下的充电反应。电化学电池的化学反应包括通常涉及工作阳离子的离子成分和涉及电子转移的电子成分。在电化学电池化学反应的离子成分位于阳极和电解质之间而不是像传统电化学电池一样位于两个电极之间的情况下发生自充电，但是电子成分仍然像传统电化学电池一样保留在两个电极之间。当电解质不仅包含具有高离子电导率的工作阳离子，而且还包含平移迁移率较慢的电偶极子时，会发生自充电和相关的自循环现象。

在开路时，没有电子流流过，电化学电池的开路电压voc是两个电极(可能只是集电器)的化学能(费米能级)之差除以电子电荷的量e。开路时电化学电池中化学反应的驱动力是要求在异质结界面处相互接触的两种材料的化学能相等；化学反应通过跨界面或在界面任一侧上的带电粒子的运动和/或产生而在异质结界面上形成双电层电容器(edlc)。在传统电化学电池中，电极/电解质界面处的edlc是在开路时通过电解质中带正电的工作阳离子向着阳极且远离阴极运动而产生的，并在电极中产生镜像电子电荷，其通常是金属性的。

在自充电和自循环电化学电池中，电解质中有两种不同类型的正电荷，即快速移动的工作阳离子和移动明显慢得多的电偶极子。结果，快速移动的阳离子可以产生所需的edlc，以平衡电极/电解质界面结任一侧的材料的费米能。但是，移动较慢的电偶极子在由于阳离子重新分布而在电解质中产生的电场中移动并随后到达时，edlc上的过充电可以通过在阳极上的界面上镀覆工作阳离子以产生自充电电流而得到调节。在闭路时，自充电电流可能会增加或减少放电或充电电流。

在电解质的工作阳离子被镀覆到电极上并造成电解质带负电的情况下，发生自循环。当电解质中的负电荷足够多时，将镀覆的金属剥离作为阳离子回到电解质中并将电子释放到外部电路中。电子以及电解质中的偶极子和离子对外部电路的不同响应速率导致外部电路中的电流循环和/或电池电压。

尽管在没有外部能量输入的情况下可能发生自充电和自循环行为，但是这两种现象也可能作为具有外部充电/放电输入的电池充电/放电性能的一部分而发生。例如，可以给自充电电化学电池提供充电电流作为外部能量输入，在这种情况下，它将显示比充电电流所指示的更大的电荷，从而产生大于100％的库仑效率。作为另一示例，放电电流和/或电压可以具有与充电/放电循环频率不同的频率的自循环分量。

放电时，电化学电池或电池会输出电功率(pdis)，该电功率是放电电流(idis)与放电电压(vdis)的乘积(pdis＝idisvdis)。在包含多个电化学电池的电池中，电化学电池可以串联连接以获得特定的电池放电电压(vdis)，并且也可以并联连接以提供特定的电池放电电流(idis)。

电化学电池的放电电流(idis)取决于工作阳离子的迁移率，以及工作阳离子从电解质镀覆到电极上或从电极剥离到电解质中的容易程度。这两种性质均受温度影响。因此，任何电化学电池递送的放电电流(idis)以及最终的电功率(pdis)在一定程度上取决于温度。然而，在本公开的热能供能电化学电池中，聚合物/玻璃电解质中的偶极子具有高介电常数，从而导致温度对电功率(pdis)的影响比传统的电化学电池中大得多。

本公开的热能供能电化学电池或热能供能电池可以在给定温度下或给定温度范围内递送的电功率(pdis)是相当的仅包含本文所公开的固体/聚合物玻璃电解质的固体玻璃电解质成分的电化学电池的至少85％，至少90％，至少95％，至少100％，至少125％或至少150％。

挠性

本公开的热能供能电化学电池也可以是挠性的。例如，该电池的杨氏模量可以小于120gpa/mm²，小于70gpa/mm²，小于50gpa/mm²，小于20gpa/mm²，小于10gpa/mm²或小于5gpa/mm²。

本公开的热能供能电化学电池可包含杨氏模量小于上述任何上限值的固体金属聚合物/玻璃电解质。因此，这种固体金属聚合物/玻璃电解质的杨氏模量比缺少金属聚合物的其他化学方面相同的固体玻璃电解质的杨氏模量低至少10％，低至少25％，低至少50％，低至少75％或低至少90％。

在任何一个电极的外表面积中测量，本公开的热能供能电化学电池能够具有大的表面积。例如，表面积可以为至少0.05m²，0.1m²，0.5m²，1m²，至少3m²或至少6m²。

固体金属聚合物/玻璃电解质还可以形成为表面积至少为0.05m²、0.1m²、0.5m²、1m²，至少3m²或至少6m²的片，这使其可以用于大卷电化学电池中，并用作流通式电化学电池中的隔膜。即使当形成为上述表面积时，固体金属聚合物/玻璃电解质的厚度也可以小于5mm，小于1mm或小于0.5mm。

水不敏感性

与缺少金属聚合物的电化学电池相比，本公开的热能供能电化学电池中的金属聚合物可以使电池对水的敏感性降低。当金属聚合物包括金属丙烯酸盐(例如丙烯酸钠)时，这一点尤其显著。该性质使得本公开的热能供能电化学电池可以短时间暴露于空气。例如，可以从密封容器中取出一卷热能供能电化学电池材料，在暴露于环境空气的情况下切成适当尺寸的片，然后放入电池中。这可以特别有利于将热能供能电化学电池材料安装在较大的结构中，例如安装在建筑物和工业设施中。与包含水敏感性更高的材料的电池相比，还可以降低热能供能电池的制造成本。另外，本公开的热能供能电化学电池容易操作，因此也便于自适应电池配置。例如，如果需要更高的电压并且可以降低容量，则可以将一片热能供能电化学电池简单地切成两半，然后组装成两个串联的独立电池，从而使电压加倍并将所得电池的容量减半。

固体聚合物/玻璃电解质

固体金属聚合物/玻璃电解质被称为玻璃，因为它是无定形的，可以通过x射线衍射确认。特别地，固体金属聚合物/玻璃电解质可包含少于2％的结晶材料，该少于2％的结晶材料是不能通过x射线衍射检测到的，或者通过x射线衍射检测时不含有可检测到的结晶材料。

固体金属聚合物/玻璃电解质可以是不易燃的，并且能够在电极集电器和/或自身上镀覆无枝晶的碱金属；镀覆金属的原子来自电解质的工作阳离子；被镀覆的工作阳离子可以由其他电极重新提供给电解质，或者也可以不重新提供。

在固体金属聚合物/玻璃电解质既不被阳极还原也不被高压阴极氧化(包括静电能的高压存储)的情况下，在电极/电解质界面上不形成固体电解质中间相(sei)，并且电化学电池可以具有较长的循环寿命，例如超过10,000个循环。

特别地，固体金属聚合物/玻璃电解质可以是a⁺-玻璃电解质，其含有作为工作阳离子的碱金属阳离子，例如li⁺、na⁺、k⁺，或金属阳离子，例如mg²⁺、cu⁺、al³⁺，以及电偶极子，例如a2x或ax^-，或者mgx或al2x3，其中a＝li、na或k，且x＝o或s或另一种元素或偶极子分子。合适的a⁺-玻璃电解质及其制备方法先前已在wo2015/128834[用于锂或钠离子传导的固体电解质玻璃(asolidelectrolyteglassforlithiumorsodiumionconduction)]和w02016/205064[水溶剂化玻璃/无定形固体离子导体(water-solvatedglass/amorphoussolidionicconductors)]中进行了描述，这两篇文献中碱金属离子的公开内容通过参考纳入本文。

通常，在本公开的热能供能电化学电池中使用的固体金属聚合物/玻璃电解质中的金属工作阳离子可以是碱金属离子，例如li⁺、na⁺、k⁺、mg²⁺或al³⁺；这些可移动工作阳离子中的一些也可以连接到阴离子上，以形成移动性较小的电偶极子，例如a2x、ax^-，或者它们缩合成较大的铁电分子，其中a＝li、na、k、mg、al，且x＝o、s或其他阴离子原子。相比于在不含偶极子添加剂的情况下由玻璃合成中使用的前体形成的电解质，该固体金属聚合物/玻璃电解质还可以包含最多50重量％的其他电偶极子分子作为添加剂。电偶极子的存在使玻璃具有高介电常数；偶极子也有助于促进自充电和自循环现象。此外，固体金属聚合物/玻璃电解质在与金属锂、钠或钾接触时不会被还原，在与高压阴极如尖晶石li[ni0.5mn1.5]o4或橄榄石lico(po4)和lini(po4)接触时也不会被氧化。因此，没有形成钝化的固体电解质中间相(sei)。而且，固体-玻璃电解质的表面被碱金属润湿，这使得可以从玻璃电解质镀覆无枝晶的碱金属，由此在至少1000次、至少2000次或至少5000次充电/放电循环中对电极/电解质界面上的离子转移提供低阻力。

固体金属聚合物/玻璃电解质可作为浆液施加在大表面积上；浆液也可以结合到纸(例如复写纸)或其他挠性纤维素或聚合物膜中，或结合到碳毡或金属泡沫电极上；干燥后，浆料形成连续的固体金属聚合物/玻璃电解质。膜框架可以具有附着的电偶极子，或者在与玻璃接触时形成仅具有旋转迁移率的电偶极子。玻璃中的电偶极子在25℃时可具有平移迁移率和旋转迁移率。具有平移迁移率的偶极子之间的反应可以在玻璃电解质中形成富偶极子区域，并且某些偶极子缩合成铁电分子；偶极子的聚结(称为电解质老化)在25℃下可能需要数天，但在100℃下只需数分钟即可完成。

即使在25oc下，一个或多个偶极子也可以具有一定的迁移率。

固体金属聚合物/玻璃电解质可以具有大的介电常数，例如相对介电常数(σr)为10²或更高。固体金属聚合物/玻璃电解质是不易燃的，在25oc下，对于工作阳离子a⁺，离子电导率σa至少为10^-2s/cm。该电导率与锂离子电池中使用的常规易燃有机液体电解质的离子电导率相当，这使电池安全。

固体金属聚合物/玻璃电解质既包含快速移动的离子，又包含移动较慢和/或旋转较慢的电偶极子，而常规电解质仅包含快速移动的离子。快速移动和慢速移动的电荷到达阳极/电解质界面以形成双电层电容器(edlc)的时间上的差异，以及界面处的edlc在界面处保持相等的费米能级(电化学势)的要求，使得一些快速移动的固体金属聚合物/玻璃电解质阳离子镀覆到阳极上。该过程不需要从阴极补充迁移阳离子，表明由于阳极-电解质化学反应而产生了自电荷；但是，反应的电子成分仍在两个电极之间。

固体金属聚合物/玻璃电解质中的快速移动离子通常是工作阳离子。当固体金属聚合物/玻璃电解质同时包含快速移动的阳离子和移动较慢的电偶极子电荷时，发生自充电现象。在闭路状态下，自充电会导致输出功率pdis＝idisvdis，该功率可以持续数月，直到需要外部充电pch为止。自充电的过程和pdis的递送受热能驱动，当电池温度超过玻璃化转变温度时，pdis可能会随着电池温度的升高而急剧增加。

固体金属聚合物/玻璃电解质可以通过将含有工作阳离子的结晶电子绝缘体或其组成前体(通常含有与o、oh和/或卤离子键合的工作阳离子)转变成传导工作离子的玻璃/无定形固体来形成。该过程也可以在偶极子添加剂存在下进行。含工作阳离子的结晶电子绝缘体或其组成前体可以是具有通式a3-xhxox的材料，其中0≤x≤1，a是至少一种碱金属，并且x是至少一种卤离子。在固体金属聚合物/玻璃电解质形成过程中，水可以从其中排出，特别是由于加热导致。在较高温度，例如230℃或更高，或230℃至260℃之间，水可能会从固体金属聚合物/玻璃电解质中蒸发。

固体金属聚合物/玻璃电解质中的金属聚合物可包括任何能与固体玻璃电解质形成复合材料而不与固体玻璃电解质反应且不降低离子电导率的金属聚合物，使得固体金属聚合物/玻璃电解质在25℃下的离子电导率是不含金属聚合物的固体玻璃电解质的离子电导率的至少25％、至少50％、至少75％或至少90％，或者不使固体金属聚合物/玻璃电解质在25oc下的离子电导率降低到小于10^-2s/cm。一些聚合物实际上可以改善离子电导率，例如在25oc下，与含有金属聚合物的固体玻璃电解质相比，将固体金属聚合物/玻璃电解质的离子电导率增加至少5％，至少10％，至少25％或至少50％。

金属聚合物可以结合到固体玻璃电解质上，而不会使固体玻璃电解质还原或氧化，也不会阻碍玻璃中移动电荷的迁移率。金属聚合物不仅可以使固体金属聚合物/玻璃电解质在机械上坚固和具有挠性，增强与电极或电极集电器的结合，还可以使固体金属聚合物/玻璃电解质在高压充电期间以及与处于充电电压下的碱金属阳极接触时是稳定的。

金属聚合物可以包含一种或多种类型的金属，例如钠(na)、锂(li)或铝(al)。该聚合物可以是共聚物。金属聚合物可以通过凝胶聚合或通过其他方法如溶液或悬浮聚合来产生。该聚合物可以是有机聚合物，特别是聚丙烯酸盐，例如聚丙烯酸钠，或聚乙二醇。

金属聚合物可以根据聚合物重量除以固体金属聚合物/玻璃电解质重量以1％至50％的量存在。

存在于本公开的固体金属聚合物/玻璃电解质中的金属聚合物还可将固体金属聚合物/玻璃电解质粘附至热能供能电化学电池中的一个或两个电极上。当受到趋于使电解质和电极分离的机械应力时，这可以使电池不太容易发生故障或性能下降。此外，一个或两个电极或其他电池通常可以缺少粘合剂，例如聚偏二氟乙烯(pvdf)和n-甲基-2-吡咯烷(nmp)，这些粘合剂常用于将电极粘附到电解质上。

另外，在本公开的热能供能电化学电池中的固体金属聚合物/玻璃电解质中，可以允许工作阳离子无枝晶地镀覆到阳极上。

电极

在本公开的热能供能电化学电池中使用的电极可以包括集电器和/或活性氧化还原材料。电极集电器可以包括金属，例如铝(al)或铜(cu)；也可以包括碳、合金或化合物的形式，例如氮化钛(tin)或过渡金属氧化物。集电器可以是其上没有活性材料的电极，或者其可以将电子传输到其上的活性材料或从其上的活性材料传输电子；活性材料可以是碱金属，碱金属的合金，或含有电解质的工作阳离子的原子的化合物。集电器将电子传输到外部电路或从外部电路传输电子，并且将电子传输到电极本身的活性材料或从电极本身的活性材料传输电子，并且电极本身的活性材料通过与集电器进行电子接触并与电解质进行离子接触而与电解质的工作阳离子反应。与电解质的离子接触可能仅涉及电极/电解质界面处过量或不足的工作离子浓度，从而形成双电层电容器(edlc)，或者还可能涉及在电极表面处形成化学相。在本公开的热能供能电化学电池中，在电极表面上的任何化学形成以及在电极/电解质界面上的edlc都是可逆的。

根据本发明，电化学电池中的一个或两个电极在制造时可以仅是所含电解质工作阳离子的原子低于7000ppm且无法检测到(例如通过原子吸收光谱法进行检测)的集电器。然而，在电池组装之后，可以通过原子吸收光谱法或通过其他手段在电极上检测电解质的工作阳离子的原子。

另外，电池的一个或两个电极可以包含另外的导电材料，例如碳，其有助于在集电器上镀覆工作阳离子，而不会显著改变复合集电器的有效费米能级。

阴极还可包含高压活性材料，例如尖晶石li[ni0.5mn1.5]o4，或橄榄石，例如life(po4)、lico(po4)和lini(po4)，或其他金属氧化物。当在阴极或阳极中使用脆性材料时，阴极或阳极包含的这些脆性材料可以作为颗粒位于其他试剂(例如聚合物或金属泡沫)中，使得其挠性的程度超过脆性材料片材或脆性材料的较大结构体能承受的弯曲程度。这样可以在挠性热能供能电化学电池中使用脆性电极活性材料。

特别地，本公开的热能供能电化学电池可包含铝(al)阳极和铜(cu)阴极。这些金属可以仅以金属形式存在，或涂有碳膜。在一些示例中，特别是对于钠离子电池，可以使用更复杂的阴极，例如金属氧化物(特别是mno2)/碳/金属泡沫阴极。也可以使用cu泡沫或其他金属泡沫电极以及包含碳毡或碳布的电极。

阴极也可以与诸如s8、mno2、fepo4或分子(例如二茂铁)之类的颗粒接触。

可用作电极或在电极中使用的其他电子导体包括镍(ni)、锌(zn)、铅(pb)、锡(sn)、铁(fe)或导电化合物，例如tin或fe3o4。

在一些示例中，阴极可以是流通式阴极，其可以与碱金属阳极组合。

应用与用途

本公开内容的热能供能电池可以用于传统电池或者甚至所含的固体玻璃电解质没有聚合物的电池都不适合的各种应用中。

例如，如上所述，热能供能电池可用于建筑物或工业设施中，其中可使用太阳能或废热来产生电力。

热能供能电池可以使用太阳能产生的热量，但与需要直接暴露于阳光的光伏电池不同，这是因为与光不同，提供热能的来自太阳的红外电磁辐射可以穿过不透明材料。热能供能电池能够将白天由太阳辐射的整个光谱产生的热量转化为电能，并在白天和黑夜将废热转化为电能。此功能提供了更多的安装选项以及较低的制造和维护成本。

另外，可以避免与光伏电池相关的一些问题，例如由于灰尘和其他不透明材料的累积而导致的性能下降。此外，热能供能电池可以安装在任何热源附近，而不仅仅是屋顶上。

另外，本公开的热能供能电化学电池和热能供能电池的挠性可以促进在建筑物或工业应用中的使用，在建筑物或工业应用中，可能需要适应定制尺寸和弯曲或尖锐的特征。

在一些示例中，热能供能电池可以安装在建筑物的屋顶中。这样使热能供能电池能够将太阳能热和逃逸到建筑物屋顶的废热能转换用于产生电能。热能供能电池可以作为外层顶层安装，或者安装在保护材料(如瓦片或其他屋顶材料)下方。热能供能电池甚至可以安装在建筑物的内部屋顶表面上，或安装在内部层(例如天花板材料)下。当将热能供能电池安装在外屋顶层上时，该外屋顶层可以适于促进电能产生。例如，外屋顶层可以具有红外反射率，该红外反射率被设计为在白天的部分时间中将热能供能电池保持在特定的温度范围内。

热能供能电池也可以安装在建筑物的内部或外部的墙壁上或墙壁中。例如，在特别冷的气候中，以废热形式从结构中损失的热能可能是主要的热能来源，热能供能电池可以包括在结构的壁中，或者至少在壁的上部中。

热能供能电池还可以包括在发热设备周围的内壁中，所述生热设备例如是热水器、洗衣设备、化石燃料动力汽车、化石燃料供能工业发电机或电动机以及其他加热或生热工业设备。

热能供能电池也可以安装在家庭的管道和水箱周围。

特别是在工业环境中，加热或生热设备(特别是管道和水箱)可以被本公开的热能供能电池覆盖。

热能供能电池还可以用于可穿戴电子设备，例如手表和衣服，在这些设备中，该电池可以由体热产生电能。

热能供能电池也可用于手持设备，其中来自用户手部的热量可用于产生电能。

热能供能电池可在任何燃烧设备周围或附近使用，以收集废热。

热能供能电池还可以用于车辆中，特别是从生热部件捕获热量，所述生热部件例如化石燃料动力发动机，包括混合电动车辆中的化石燃料供能发电机。热能供能电池也可以位于通常暴露于阳光下的车辆部件中，例如汽车、公共汽车和卡车的车顶和引擎盖，飞机和无人机的机翼和上部机身，以及船的甲板和上层建筑，包括货物罩，帆和太阳能收集结构。热能供能电池还可以在这些和其他类型的车辆中收集来自其他能源(例如发动机)的废热。

热能供能电池还可以用于提高已经适合与可充电电池或光伏电池一起使用的设备的能量效率或实用性。例如，电动工具电池可包括热能供能电池，只需将备用电池放在工作场所的阳光充足的地方即可对其进行再充电。可以相同的方式对便携式医疗设备(例如军方经常使用的，在欠发达地区中或在流行病应对期间使用的设备)的电池进行充电。另外，热能供能电池使得能够在夜间使用目前依赖于光伏电池的一些便携式医疗设备或延长其夜间使用时间，这通过替代地使用体热或其他热源来产生电力而实现。

在太阳能发电场之类的电网能源生产中，也可以使用热能供能电池来代替光伏电池。混合能量产生装置，例如在顶部具有光伏电池且在其下方具有热能供能电池以吸收通过光伏电池的热能的装置也是可行的。

来自身体和/或太阳的热量可用于为个人携带的电池供电移动设备或在偏远地区中使用的电池供电设备进行充电。这些设备可以包括医疗设备，通信设备或机械设备。将热能转化为电能的成本较低的热能供能电池可以代替光电设备，用于将太阳能发电的电能存储在可充电电池中，或者用于生产化学商品，例如由水电解制备氢。

另外，本公开的热能供能电池可以容易地与其他能量存储组件，例如传统的可充电电池或燃料电池组合，从而可以将利用热能产生的电能存储起来以备后用，例如当环境温度降低时使用。

实施例

提供下列实施例以进一步说明本发明的原理和具体方面。它们无意且不应解释为涵盖本发明所有方面的全部范围。

实施例1

可以使用铝(al)阳极制备热能供能电化学电池，该阳极可以是金属箔集电器。箔也可以涂有碳。

热能供能电化学电池还可以具有固体金属聚合物/玻璃电解质，其可以包括作为金属聚合物的聚丙烯酸钠和作为玻璃的a⁺-玻璃，其中a是锂(li)、钠(na)或钾(k)。具体而言，a⁺-玻璃可以由陶瓷a3-xhxox(x＝cl或br)前体通过添加少量(≤1w％)水合氢氧化物(ba(oh)2xh2o,x≤10)以形成干燥的无定形陶瓷介电电解质来形成。固体金属聚合物/玻璃电解质可以由a⁺-聚丙烯酸盐作为聚合物来形成。

可以使用铜(cu)阴极制备热能供能电化学电池，该阴极可以是金属箔集电器。箔可以涂有碳膜。

这种热能供能电化学电池可表现出自充电，长的自充电/放电循环寿命，机械稳健性和对热波动、变化的周围空气环境、水和机械滥用的耐受性。这样的热能供能电化学电池也易于制造，即使是作为大面积片材，例如大面积薄电池也容易制造。

在图2中示出了这种热能供能电化学电池，即使电池膜弯曲了近90°，仍然点亮了红光发射二极管(led)。该实施例说明了在热能供能电化学电池中固体金属聚合物/玻璃电解质的机械稳健性，以及在不施加外部pch的情况下递送电能的能力。但是，在进行演示之前，首先要对电池充电并完全放电。应该注意的是，两个电极最初都不包含电解质的移动a⁺阳离子。电池的表示如下：阴极/电解质/阳极。

实施例2

用金属钠(na)阳极，固体金属聚合物/玻璃电解质和cu泡沫阴极制备热能供能电化学电池，其中该固体金属聚合物/玻璃电解质包含10重量％的作为金属聚合物的聚丙烯酸钠和作为玻璃的na⁺-玻璃，所述cu泡沫阴极含有氧化锰(mno2)和碳(c)。阳极和阴极最初缺少na⁺工作阳离子。

阴极中的mno2颗粒决定了阴极的主要电势，并且没有因为热能供能电化学电池的放电而减小。该电池表现出自充电，且

实施例3

用al阳极，碳和cu阴极，固体金属聚合物/玻璃电解质制备热能供能电化学电池，其中所述碳和cu阴极最初缺少na⁺工作阳离子，所述固体金属聚合物/玻璃电解质包含10重量％的作为金属聚合物的聚丙烯酸钠和作为玻璃的na⁺-玻璃。将电池切割成两片或更多片，将它们串联连接以形成多电池的电池组，其使用源自热能的电能为红光、白光和蓝光led供电。

实施例4

如实施例3中那样制备热能供能电化学电池，但是具有碳毡阴极。该电化学电池显示在25oc时可将环境热量转化为电能。

实施例5

如实施例3中那样制备热能供能电化学电池，但是具有铜泡沫上负载有碳的阴极。该电化学电池显示在25oc时可将环境热量转化为电能。

实施例6

用al阳极，固体金属聚合物/玻璃电解质和cu箔阴极制备热能供能电化学电池，其中所述固体金属聚合物/玻璃电解质包含10重量％的作为金属聚合物的聚丙烯酸钠和作为玻璃的na⁺-玻璃。阳极和阴极最初缺少na⁺工作阳离子。

热能供能电化学电池被制成大面积的薄电池。从空调实验室转移到大约30-40oc的通过保护性塑料盖递送的室外太阳热后，该电池的放电电流(idis)增加了7倍。

此外，随着温度的升高，大面积薄电池的放电电压(vdis)从25oc的0v升高到72℃的0.91v。

实施例7

可以用金属锂(li)，固体金属聚合物/玻璃电解质和流通式阴极制备热能供能电化学电池。该热能供能电化学电池以固体金属聚合物/玻璃电解质为隔膜来运行。

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