熔融盐电池的制作方法_2

文档序号:9529380阅读:来源:国知局
学地吸收和放出碱金属离子的材料。含钠的金属氧化物包括例 如铬酸钠(NaCr02)、锰酸铁钠(恥2/丨61/3]?11 2/302等)、Na2FeP04F、NaVP04F、NaCoP04、NaNiP04、 NaMnP04、NaMr^.5Nia504、NaMn。.5Nia502等。含碱金属的金属氧化物可单独使用或以其多种的 混合物使用。
[0062] 正极活性材料的平均粒径优选为2μm以上且20μm以下。这种粒径范围倾向于 允许形成均匀的正极活性材料层,因此电极反应倾向于平稳地进行。平均粒径是通过使用 激光衍射的粒度分布测量系统所获得的按体积计的粒度分布的中值直径。
[0063] 图1是根据本发明的一个实施方式的正极的前视图,图2是沿着图1的线II-II 取的横截面图。
[0064] 熔融盐电池用正极2包含正极集电器2a和附着至正极集电器2a的正极活性材料 层2b。正极活性材料层2b包含正极活性材料作为必需成分。正极活性材料层2b可包含导 电性碳材料、粘合剂等作为任选成分。
[0065] 要在正极中包含的导电性碳材料的实例包括石墨、碳黑、碳纤维等。在导电性碳材 料中,因为少量的碳黑有可能提供足够的导电通路,所以碳黑是特别优选的。碳黑的实例包 括乙炔黑、科琴黑、热裂法炭黑等。相对于每100质量份的正极活性材料,导电性碳材料的 含量优选为2~15质量份,更优选为3~8质量份。
[0066] 粘合剂用于将正极活性材料的粒子粘合在一起,并将正极活性材料固定到正极集 电器上。作为粘合剂,可使用的为氟树脂、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺等。作为氟树脂,可使 用的有聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物,偏二氟乙 烯-六氟丙烯共聚物等。相对于每1〇〇质量份的正极活性材料,粘合剂的含量优选为1~ 10质量份,更优选3~5质量份。
[0067] 作为正极集电器2a,可使用的有金属箱、由金属织物制成的无纺布、多孔金属片 等。形成正极集电器的金属从其在正极电位下的稳定性的观点来看优选为铝或铝合金,但 没有特别限制。当使用铝合金时,铝以外的金属成分(例如?^51、附、111等)的含量优选 为0.5质量%以下。形成正极集电器的金属箱的厚度例如为10~50μm。由金属织物制成 的无纺布和多孔金属片的厚度各自例如为1〇〇~600μm。集电用正极引线片2c可在正极 集电器2a上形成。正极引线片2c可如图1中所示与正极集电器以单片形式形成,或可通 过经由焊接或其它方法将单独形成的引线片连接至正极集电器来实施。
[0068] [熔融盐电解质]
[0069] 熔融盐电解质包含90质量%以上的含元素A的盐(第一盐)的离子液体。该离 子液体可以是在熔融盐电池的工作温度范围内呈液态的化合物。熔融盐电解质在高耐热性 和不燃性方面是有利的。因此,期望熔融盐电解质包含尽可能少的离子液体以外的成分。 然而,可以在熔融盐电解质中以不显著降低耐热性和不燃性的量包含各种添加剂和有机溶 剂。为了避免耐热性和不燃性的降低,包含第一盐的离子液体优选占熔融盐电解质的95~ 100质量%。
[0070] 第一盐是元素A的阳离子和阴离子的盐,所述阳离子是碱金属元素的阳离子。阴 离子优选为多原子阴离子,可例示的例如有pf6、BF4、C104和由[0?402) (R2S02)]N(其中 R1和R2各自独立地为F或CnF2n+1,且1彡η彡5)表示的阴离子(在下文中也将该阴离子称 作双(磺酰)胺阴离子)。其中,从熔融盐电池的耐热性和离子传导性的观点来看,双(磺 酰)胺阴离子是优选的。
[0071] 特别地,双(磺酰)胺阴离子包括双(氟磺酰)胺阴离子、(氟磺酰)(全氟烷基磺 酰)胺阴离子和双(全氟烷基磺酰)胺阴离子(PFSA:双(五氟乙基磺酰)亚胺阴离子)。 全氟烷基中的碳原子数例如为1~5,优选为1~2,更优选为1。这些阴离子可以单独使用 或以其两种以上的混合物使用。
[0072] 在双(磺酰)胺阴离子中,双(氟磺酰)胺阴离子(FSA)、双(三氟甲基磺酰)胺 阴离子(TFSA)、双(五氟乙基磺酰)胺阴离子、(氟磺酰)(三氟甲基磺酰)胺阴离子等是 优选的。
[0073]当元素Α是钠时,第一盐的具体实例包括钠离子和FSA的盐(Na*FSA),钠离子和 TFSA的盐(Na·TFSA)等。
[0074] 在一些情况下,取决于熔融盐电池的工作温度或用途,第一盐可单独占离子液体 的90质量%以上。然而,离子液体优选为与第一盐以外的盐的混合物。在这种情况下,可 以降低离子液体的熔点和熔融盐电解质的熔点。
[0075] 也就是说,离子液体优选包含诸如PF6、BF4、C104的阴离子或双(磺酰)胺阴离 子与阳离子的盐(第二盐)作为第一盐以外的盐。在这种情况下,可以进一步提高熔融盐 电池的耐热性和离子传导性。其中,双(磺酰)胺阴离子是优选的。双(磺酰)胺阴离子 的具体实例可以列为与上面列出的那些相同的化合物。
[0076] 第二盐的阳离子的实例包括有机阳离子和元素A的阳离子以外的碱金属阳离子。 可例示的有机阳离子有含氮的阳离子、含硫的阳离子、含磷的阳离子等。可例示的含氮阳离 子有衍生自脂族胺、脂环胺或芳族胺(例如季铵阳离子等)的阳离子、各自具有含氮杂环的 有机阳离子(即,衍生自环胺的阳离子)等。
[0077]季铵阳离子例如包括四烷基铵阳离子(四Qi。烷基铵阳离子等)等,四烷基铵阳 离子包括四甲基铵阳离子、乙基三甲基铵阳离子、己基三甲基铵阳离子、乙基三甲基铵阳离 子(TEA+)、甲基三乙基铵阳离子(TEMA+)等。
[0078]含硫阳离子包括叔锍阳离子如三烷基锍阳离子(例如三Qi。烷基锍阳离子等), 三烷基锍阳离子例如包括三甲基锍阳离子、三己基锍阳离子、二丁基乙基锍阳离子等。
[0079] 含磷阳离子例如包括季辚阳离子等,季書阳离子包括四烷基辚阳离子(例如四 Q1Q烷基_阳离子),诸如四甲基儀阳离子、四乙基辚阳离子和四辛基_阳离子;烷基(烷 氧基烷基)辚阳离子(例如三Q1Q烷基(Ci5烷氧基Ci5烷基)_阳离子等),诸如三乙基 (甲氧基甲基)辚阳离子、二乙基甲基(甲氧基甲基)憐阳离子和三己基(甲氧基乙基)_ 阳尚子。在烷基(烷氧基烷基)__阳尚子中键合至憐原子的烷基和烷氧基烷基的总数为 四,烷氧基烷基的数目优选为一或二。
[0080] 键合至季铵阳离子的氮原子、键合至叔锍阳离子的硫原子和键合至季鱗阳离子的 磷原子的各个烷基中的碳原子数优选为1~8,更优选为1~4,且特别优选为1、2或3。
[0081] 在此,有机阳离子优选为具有含氮杂环的有机阳离子。包含具有含氮杂环的有机 阳离子的离子液体实现了高的耐热性和低的粘度,因此是有前途的熔融盐电解质。可例示 的有机阳离子的含氮杂环骨架为具有一或两个作为成环原子的氮原子的5~8元杂环,诸 如吡咯烷、咪唑啉、咪唑、吡啶、哌啶等;具有一或两个氮原子和其它杂原子作为成环原子 (氧原子、硫原子等)的5~8元杂环,诸如吗啉。
[0082] 作为成环原子的氮原子可具有作为取代基的有机基团诸如烷基。可例示的烷基为 具有1~10个碳原子的烷基,诸如甲基、乙基、丙基和异丙基。烷基的碳原子的数目优选为 1~8,更优选为1~4,特别优选为1、2或3。
[0083] 在具有含氮杂环的有机阳离子中,特别地,具有吡咯烷骨架的有机阳离子具有高 的耐热性和低的制造成本,因此是有前途的熔融盐电解质。具有吡咯烷骨架的有机阳离子 优选在形成吡咯烷环的氮原子上具有上述烷基中的两种。具有吡啶骨架的有机阳离子优选 在形成吡啶环的氮原子上具有上述烷基中的一种。具有咪唑啉骨架的有机阳离子优选在形 成咪唑啉环的两个氮原子中的每个上具有所述烷基中的一种。
[0084] 具有吡咯烷骨架的有机阳离子的具体实例包括1,1-二甲基吡咯烷|翁阳离子、 1,1-二乙基吡咯烷鐵阳离子、1-乙基-1-甲基吡咯烷_阳离子、1-甲基-1-丙基吡咯烷II 阳离子(MPPY+)、1-甲基-1- 丁基吡咯烷_阳离子(MBPY+:1- 丁基-1-甲基吡咯烷儘阳离 子)、1_乙基-1-丙基吡咯烧健阳离子等。其中,特别是从高电化学稳定性的观点来看,具 有甲基和有2~4个碳原子的烷基的吡咯烷f翁阳离子如MPPY+和MBPY+是优选的。
[0085] 具有吡啶骨架的有机阳离子的具体实例包括1-烷基吡啶鐵阳离子诸如1-甲基吡 啶儀阳离子、1-乙基吡啶鐵阳离子和1-丙基吡啶鐵阳离子。其中,具有有1~4个碳原子 的烷基的吡啶t翁阳离子是优选的。
[0086] 具有咪唑啉骨架的有机阳离子的具体实例包括1,3-二甲基咪唑輸阳离子、1-乙 基-3-甲基咪唑穩阳离子(ΕΜΓ)、1-甲基-3-丙基咪唑輪阳离子、1- 丁基-3-甲基咪唑機 阳离子(ΒΜΓ)、1-乙基-3-丙基咪唑§翁阳离子、1-丁基-3-乙基咪唑猶阳离子等。其中, 具有甲基和有2~4个碳原子的烷基的咪唑_阳离子如ΕΜΓ和BMI+是优选的。
[0087] 当熔融盐电解质包含90质量%以上的第一和第二盐的混合物且第二盐是有机阳 离子和阴离子的盐时,相对于在熔融盐电解质中包含的阳离子,在熔融盐电解质中包含的 元素A的浓度(如果第一盐为单价的则等于第一盐的浓度)优选为2摩尔%以上,更优选5 摩尔%以上,特别优选为8摩尔%以上。此外,相对于在熔融盐电解质中包含的阳离子,元 素A的浓度优选为30摩尔%以下,更优选20摩尔%以下,特别优选为15摩尔%以下。这 种熔融盐电解质具有高的第二盐含量和低粘度,因此特别是在高倍率下的充放电期间有利 于实现高容量。可以将元素A的浓度的优选上限和下限以任何组合进行组合以设定优选的 范围。例如,相对于在熔融盐电解质中包含的全部阳离子,元素A的浓度的优选范围可以为 2~20摩尔%,还可以为5~15摩尔%。
[0088] 考虑到熔融盐电解质的熔点、粘度和离子传导性之间的平衡,第一盐和第二盐的 摩尔比(第
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