包含涂覆的铁阳极及改进的性能的蓄电池的制作方法
【专利说明】包含涂覆的铁阳极及改进的性能的蓄电池
[oow] 发明背景发明领域
[0002] 本发明属于能量储存装置的技术领域。更特别地，本发明属于使用铁阳极的可再 充电蓄电池的技术领域。
[0003] 巧术现状
[0004] 铁电极用于能量储存蓄电池及其它装置中已经超过100年了。经常将铁电极与儀 基阴极组合W形成儀-铁蓄电池。儀-铁蓄电池（Ni-Fe蓄电池）是可再充电蓄电池，其具 有儀（III)氧化物/氨氧化物阴极和铁阳极W及电解质例如氨氧化钟。将活性材料保持在 锻儀的钢管或穿孔的袋状物中。它是一种非常耐用的蓄电池，其容忍误用（过度充电、过度 放电和短路），并且即使如此处理仍能具有很长的寿命。它经常用于后备情况，在此情况下 它能够连续充电并可持续超过20年。然而，由于其低比能量、不良的充电保持能力和高制 造成本，其它类型的可再充电蓄电池在大多数应用中替代了儀-铁蓄电池。
[0005] 运些蓄电池频繁循环使用的能力是由于反应物在电解质中的低溶解度。由于氨氧 化亚铁的低溶解度，在充电过程中金属性铁的形成是缓慢的。虽然铁晶体的缓慢形成保护 了电极，但是它也限制了高倍率性能。运些电池充电缓慢，并且只能缓慢放电。不应该由恒 电压电源对儀-铁电池进行充电，因为热失控可损害它们。电池内部电压随着放气开始提 高溫度而下降，运增加了电流消耗并且进一步增加了放气和溫度。
[0006] 然而，工业将极大的受益于运样的蓄电池，例如Ni-Fe蓄电池或Mn-Fe蓄电池，其 显示出改进的性能。使用也会因此增加。具有提高的效率、充电保持能力和循环寿命的铁 阳极的蓄电池会受到极大的欢迎。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了具有铁阳极的蓄电池（例如Ni-Fe蓄电池），其具有改进的性能特 性。该蓄电池使用了特别的电解质和/或蓄电池分隔体。所得的效率、充电保持能力和循 环寿命特性相比于现有技术中的运样的铁阳极蓄电池得到显著改进。
[0008] 在其它因素中，还发现当在蓄电池中使用铁阳极时，特别的电解质和/或蓄电池 分隔体的使用显著增强了蓄电池的性能特性。该电解质是基于氨氧化钢的电解质。该分隔 体是更厌铁的。分隔体是未处理的聚合物分隔体，例如由聚締控制成。结果是具有增强的 功率、容量和效率的蓄电池。循环寿命可W比现有技术提高十倍。
[0009] 附图简要描述
[0010] 图1是涂覆的铁阳极的透视图。
[0011] 图2是在基材两侧上涂覆的铁阳极的侧视图和横截面视图。
[0012] 图3是根据本发明的一个实施方案的蓄电池的示意图。
[0013] 发明详细描述
[0014] 出于本发明和描述的目的，将应用W下定义： 阳〇1引?W安培时（Ah)衡量蓄电池的容量。 阳016] ?比能量定义W重量计的蓄电池容量，瓦时/千克（WH/kg)。蓄电池可W具有高比 能量而差的比功率（载荷量），在碱性蓄电池中就是运样。蓄电池可W具有低比能量但是能 传递高比功率，例如采用超级电容器运是可能的。经常认为比能量与蓄电池容量和运行时 间是同义的。
[0017] ?W尺寸给出能量密度或体积能量密度，瓦时/升（WH/L)
[001引 ?比功率定义蓄电池容量或蓄电池能提供的电流量。W瓦特/千克（W/kg)给出比 功率。例如，用于动力工具的蓄电池经常表现出高比功率和低容量。比功率表明了内阻和 功率传递。
[0019] ?功率密度是每单位体积的功率量。W瓦特/升（W/L)给出功率密度。
[0020] ?C倍率指定充电和放电电流。W1C，蓄电池在为具有标记的Ah等级的电流下充 电和放电。Wo. 5C，电流是一半，并且Wo. 1C，电流是十分之一。例如，IC在约1小时内给 蓄电池充电；0.5C会花费2小时，并且0.IC会花费约10小时。
[0021] ?瓦时效率是放电的能量占充电的能量的百分比。
[0022] ?充电保持能力是在20°C下28天后测量的容量。
[0023] ?蓄电池的循环寿命是重要方面，并且于80%D0D(放电深度）在20°C下IC充电、 IC放电至70%的容量来对其进行测量。
[0024] 本发明包含具有铁阳极的蓄电池。蓄电池可W是具有铁电极的任何蓄电池，例如 Ni-Fe或Mn-Fe蓄电池。在一个实施方案中，蓄电池是Ni-Fe蓄电池，具有铁阳极和儀阴极 的蓄电池。在一个实施方案中，蓄电池包含铁电极，该铁电极包含涂覆的单一导电基材，通 过可为连续的简单涂覆工艺制备。可在一侧或两侧上涂覆基材。
[0025] 通过常规加工和具有铁阳极和阴极（例如儀阴极）的构造来制备蓄电池。然而， 本发明的蓄电池包含特别的电解质和/或蓄电池分隔体。在一个实施方案中，如图1和2 所示，铁电极包含涂覆的单一导电基材。
[0026] 转向附图的图形，图1是涂覆的铁电极的透视图。基材1在每一侧上涂覆有涂层 2,该涂层2含有铁活性材料和粘合剂。运在图2中进一步示出。基材10在每一侧上涂覆 有铁活性材料和粘合剂的涂层11。
[0027] 电解质可W单独使用，或者蓄电池分隔体可W单独使用，但是为了得到最好的结 果，优选电解质和蓄电池分隔体一起使用。
[002引使用的电解质是基于氨氧化钢的电解质，在该电解质中氨氧化钢的浓度通常为 5-7N。在一个实施方案中，电解质包含氨氧化钢、氨氧化裡和硫化钢。例如，电解质中氨氧化 钢的浓度为约6N，电解质中氨氧化裡浓度为约IN,并且电解质中硫化钢的浓度为约2wt%。 在将运种电解质与铁阳极蓄电池一起使用时，发现蓄电池的寿命、容量和功率都大大提高。 据认为使用基于氨氧化钢的电解质减小了铁在电解质中的溶解度，运延长了蓄电池寿命。 整个电池在高溫下也更加稳定和有效。氨氧化裡增加了阳极的充电接收能力，运增加了容 量。
[0029] 发现硫化钢的存在对于硫在铁阳极上的有效沉积为重要的。具有铁阳极的蓄电池 似乎在具有硫化钢的电介质中运行更好，因为硫化物在几次循环后在铁阳极中作为性能增 强剂结束。认为本质上硫化钢增加了铁的有效表面积，因此获得了铁的更多利用。容量和 功率因此得到改进。另外，认为添加的硫化物形成铁硫化物，两种形式为FeS和化2S3,两种 均比在铁表面上通常形成的化(0H)2的导电性更强。铁表面上的运些导电位置产生了一种 情况，在该情况下在铁表面上形成的氧化层在真正的电纯化发生前更厚，从而允许更有效 地使用下面的铁活性材料。可采用各种硫化物盐来获得运种所需的结果。在一个实施方案 中，硫化物盐是硫化钢。总的来说，发现本电解质的使用将标准Ni-Fe蓄电池的容量提高至 少两倍；将功率提高至少50 %;使放气减少至少25 %;并且将效率提高至少25%，并且最显 著地增加循环寿命。
[0030] 虽然上面描述了金属硫化物例如硫化钢的使用，但是将理解还可W使用具有合适 溶解度的其它硫化物化合物。运样的硫化物的例子包括具有充足溶解度的无机硫化物，而 且还包括已知在电解质中分解成无机硫化物的有机硫化合物。
[0031] 还发现硫化物自身在电解质中的浓度可为重要的。在一个实施方案中，W电解质 重量的百分比衡量的硫化物自身的量即硫化物本身的量，为从0. 23 %到0. 75%。在一个实 施方案中，W电极中铁的百分比衡量的硫化物自身的量为从0. 23wt%到0. 75wt%。
[0032] 金属硫化物优选NazS。硫化钢例如可W是水合NazS。水合硫化钢为约60重量％ 的NazS,并且在计算电解质中使用的硫化物自身的量时必须考虑运一点。通常电解质中使 用的NazS的量为l-2wt%，W电解质的重量计。
[0033] 在一个实施方案中，电解质中化OH的浓度处于从6至7. 5M的范围内。在一个实 施方案中，电解质中LiOH的浓度处于从0. 5至2.OM的范围内，并且最优选约1. 0M。化OH 与LiOH和硫化物的组合对于其有效结果是独特的。
[0034] 还发现上述电解质和涂覆在单一基材上的铁阳极的组合使用显著减少了对于电 池或蓄电池活化所需的时间。特别地，将运种电解质和含有粘贴在导电基材例如金属锥或 泡沫上的铁活性材料的粘附型铁电极结合使用，导致具有超过常规袋状板设计的Ni-Fe蓄 电池的改进性能的蓄电池。如果运样的粘附型铁电极含有硫或硫化物添加剂，那么性能得 到进一步提局。
[0035] 可W用在本蓄电池中的蓄电池分隔体（或者是在没有基于氨氧化钢的电解质的 情况下单独使用，但优选与该电解质组合使用），是厌铁的蓄电池分隔体。为了可焊性可蚀 刻分隔体，但在使用本蓄电池分隔体时运仅仅是任选的。蓄电池分隔体由聚合物制成，具有 大致光滑的表面。该聚合物可W是提供非极性表面的任何聚合物，其通常也很光滑。运样 的聚合物的例子包括聚締控，例如聚乙締和聚四氣乙締（例如Teflon? )。通过使用更厌 铁的分隔体，分隔体W更慢的速率接收铁。运导致了蓄电池循环寿命的显著提高。发现分 隔体的使用将标准Ni-Fe蓄电池的容量提高至少20% ;功率提高至少25% ;并且效率提高 至少10%。当将分隔体和本发明的W氨氧化钢为基础的电解质一起使用时，标准Ni-Fe蓄 电池的寿命增加至少=倍。
[0036] 图3描述了具有铁阳极21的蓄电池20。阴极22例如儀或儘阴极也在该蓄电池 中。电解质23围绕铁阳极和阴极两者。电解质是上述的W氨氧化钢为基础的包含氨氧化 钢、氨氧化裡和硫化钢的电解质。蓄电池分隔