性，允许电池在电池循环期间冷却至室溫。 在冷却后，重复加热电池至操作溫度并且恢复循环。在图6B中示出冷却循环后的结果。如图 所示，库仑效率(99% )和能量效率(60% )与在冷却前完全相同。放电容量也未受影响。
[0056] 图7A和7B是本发明的示例性Li-Bi电池体系的在完全充电状态和完全放电状态二 者下的循环后的横截面图的照片。图7A示出正极(Bi)在充电状态下完全是液体，并且没有 第二相存在。运证明通过消除在先前的放电期间形成的任何固相，正极可W除去可能在固 相中存在的任何机械缺陷(例如，枝晶、裂缝)并且在每次充电后"治愈"其自身。在放电状态 下，金属间化合物(其在操作溫度下为固体)在正极处在液体Bi的小剩余池上方形成(参见， 例如图7B)。
[0057] 实施例2
[0058] 根据本发明的实施方式使用在电池体系中的液体/固体正极而展示了大规模电池 (例如，182cm2,内径6英寸）。利用在完全放电状态下的Li7〇%-Bi组合物设计了该电池。使用 的电解质是Li的o%-LiCl7〇%共烙组合物(Tm=500°C)。操作溫度为540°C。该电池被组装并且 工作大于3000小时。该电池体系显示了优异的性能，当在50-500mA/cm2的范围内循环时其 充放电能量效率在48-91.7%的范围内，参见例如图8。
[0059] 图9A和9B将性能标准(例如，分别地，效率和放电容量)显示为示例性Li -Bi电池体 系的循环次数的函数。使用了大范围试验参数(例如，电流、截止电压等），尤其是各种电流 速率（50 ~500mA/cm2)。
[0060] 图10A和10B分别将库仑效率和能量效率和放电容量显示为在相同的300mA/cm2的 电流速率下的循环次数的函数。在250次循环后，示例性Li-Bi电池体系的性能是稳定的并 且观察到的容量衰减微不足道。
[0061] 传统固态电池随着固体电极在循环中劣化而面临高容量衰减。传统液体金属电池 通过在操作的所有阶段保持液体而提供长循环寿命，但是其将放电组合物限制在电极体系 的完全液体区域下。通过利用用于正极(并且也可能是负极）的液相和固相二者，通过允许 更多的负极材料被放电为相同量的正极可W获得大的成本节省，同时保留在液相中操作正 极的治愈性质的好处。
[0062] 本发明的实施方式在各种工业中具有广阔的应用，例如，用于网格储存的大规模 电池的商业应用，在运输行业中的潜在应用等。实施方式代表对于获得用于固定应用的低 成本储存装置又前进了一步，和向着用于运输应用的低成本电池的第一步。
[0063] 上述本发明的实施方式旨在仅为示例性的；对于本领域技术人员而言，许多变化 和修改将是明显的。所有运种变化和修饰都旨在在如权利要求书中所定义的本发明的范围 内，所述权利要求书形成本申请的书面说明书的一部分。
【主权项】
1. 被构造为与外部装置交换能量的电池体系，所述电池体系包含： 包含第一金属或合金的正极； 包含第二金属或合金的负极;和 包含所述第二金属或合金的盐的电解质，所述电解质在各电极/电解质界面处接触所 述负极和所述正极， 其中在至少一部分操作期间，在所述电池体系的操作温度下所述正极、所述负极和所 述电解质为液相， 其中所述正极在一种充电状态下完全为液相并且在另一种充电状态下包含固相，并且 其中所述正极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的 固体金属间化合物。2. 权利要求1所述的电池体系，其中所述第一金属或合金包含铋。3. 权利要求1所述的电池体系，其中所述第二金属或合金包含锂。4. 权利要求1所述的电池体系，其中所述第一金属或合金包含铋，所述第二金属或合金 包含锂，并且所述固体金属间化合物为Li3Bi。5. 权利要求4所述的电池体系，其中所述正极包含合金，所述合金在铋中含有高达75 % mol的锂。6. 权利要求1所述的电池体系，其中所述操作温度在约300°C~约800°C之间。7. 权利要求1所述的电池体系，其中开路电压为至少约0.5V。8. 权利要求1所述的电池体系，其中所述第二金属或合金包含碱金属。9. 权利要求1所述的电池体系，其中所述正极的所述固相使电池容量增加约至少10 %。10. 权利要求1所述的电池体系，其中所述负极在一种充电状态下完全为液相而在另一 种充电状态下包含固相，其中所述负极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二 金属或合金形成的固体金属间化合物。11. 一种从外部电路储存电能的方法，所述方法包括： 提供电池体系，其包含： 包含第一金属或合金的正极； 包含第二金属或合金的负极;和 包含所述第二金属或合金的盐的电解质，所述电解质在各电极/电解质界面处接触所 述负极和所述正极， 其中在至少一部分操作期间，在所述电池体系的操作温度下所述正极、所述负极和所 述电解质为液相， 其中所述正极在一种充电状态下完全为液相并且在另一种充电状态下包含固相，并且 其中所述正极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的 固体金属间化合物； 将所述电池体系电连接至所述外部电路；以及 操作所述外部电路从而驱动所述第二金属或合金从所述正极向所述负极转移。12. 权利要求11所述的方法，其中所述第一金属或合金包含铋。13. 权利要求11所述的方法，其中所述第二金属或合金包含锂。14. 权利要求11所述的方法，其中所述第一金属或合金包含铋，所述第二金属或合金包 含锂，并且所述固体金属间化合物为Li3Bi。15. 权利要求14所述的方法，其中所述正极包含合金，所述合金在铋中含有高达75% mol的锂。16. 权利要求11所述的方法，其中所述操作温度在约300°C~约800°C之间。17. 权利要求11所述的方法，其中开路电压至少为约0.5V。18. 权利要求11所述的方法，其中所述第二金属或合金包含碱金属。19. 权利要求11所述的方法，其中所述正极的所述固相使电池容量增加约至少10%。20. 权利要求11所述的方法，其中所述负极在一种充电状态下完全为液相而在另一种 充电状态下包含固相，其中所述负极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金 属或合金形成的固体金属间化合物。
【专利摘要】本发明提供一种与外部装置交换能量的电池体系。所述电池体系包含具有第一金属或合金的正极，具有第二金属或合金的负极，和包含所述第二金属或合金的盐的电解质。在至少一部分操作期间在操作温度下所述正极、所述负极和所述电解质为液相。在一种充电状态下所述正极完全为液相而在另一种充电状态下所述正极包含固相。所述正极的所述固相包含由第一金属或合金和第二金属或合金形成的固体金属间化合物。本发明也提供使用这种电池体系从外部电路储存电能的方法。
【IPC分类】H01M4/40, H01M10/052, H01M4/38, H01M4/134, H01M10/39
【公开号】CN105659415
【申请号】
【发明人】保罗·J·布尔克, 布赖斯·H·V·琼, 萨蒂亚吉特·R·帕德克, 宁晓辉, 唐纳德·R·萨多未
【申请人】麻省理工学院, 整体营销服务公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年10月29日