鈉-金屬鹵化物電池用正極、含其的電池及其制法和用途制造技術

本發明專利技術涉及鈉-金屬鹵化物電池用正極、含其的電池及其制法和用途。在所述正極中添加有金屬微絲。所述金屬微絲在正極活性物料的本體導電網絡之外建立起二次導電網絡，從而提高正極的導電性及其導電網絡的穩定性，由此降低電池內阻和改善電池放電功率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及用于鈉-金屬鹵化物電池的正極、包括其的鈉-金屬鹵化物電池、所述正極和電池的制造方法、以及所述電池的用途。
技術介紹
鈉-金屬鹵化物電池作為新一代的高溫可再充電電池出現在20世紀90年代。它由于其大的能量密度、高的循環壽命、改善的安全性和高溫穩定性而可用于許多應用中，如混合動力車、不間斷備用電源等。在現有的鈉-金屬鹵化物電池中，活性物料的混合物以毫米級顆粒的形式加載，在顆粒內部的金屬粉末形成泡沫狀網絡以傳導電流。例如，在用于鈉-鹵化鎳電池的所考慮的設計的一些中，正極導電粉體形成的網絡結構(cathode grid)由各種類型的鎳粉末形 成。基于顆粒內部的體積，導電物質Ni的體積分數為大約20-30%，其足夠高以達到逾滲閾值。但是，由于形成顆粒的物質僅在全部正極體積的50%左右，因此正極中導電物質的平均體積分數為約10-15%。隨著電池的重復循環，導電物質Ni遷移，這導致正極的電子導電性下降。因此，電池內阻增加。眾所周知，低內阻對于高的電池放電功率是關鍵的，這是許多高功率應用的重要要求。由以上可知，鈉-金屬鹵化物電池可有時仍呈現循環引起的內阻增加，因此放電功率惡化的問題。而且，需要增加的初始放電功率的性能。因此，鈉-金屬鹵化物電池的一些可繼續受益于某些方面和特性的改善。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提高用于鈉-金屬鹵化物電池的正極的導電性，從而降低電池內阻和改善電池放電功率。根據本專利技術的實施方案，提供用于鈉-金屬鹵化物電池的正極，在所述正極中添加有金屬微絲，即所述正極包含所述金屬微絲。根據本專利技術的實施方案，提供包括正極的鈉-金屬鹵化物電池。根據本專利技術的實施方案，提供制造所述用于鈉-金屬鹵化物電池的正極的方法，其中在活性物料造粒過程和/或正極填充過程中添加金屬微絲。根據本專利技術的實施方案，提供制造所述鈉-金屬鹵化物電池的方法，其中在正極活性物料造粒過程中和/或正極填充過程中添加金屬微絲。根據本專利技術的實施方案，提供所述鈉-金屬鹵化物電池作為不間斷備用電源的用途。通過以下結合附圖對本專利技術實施方案的描述，將更容易理解本專利技術的這些和其它優勢和特征。附圖說明圖I為說明在根據本專利技術實施方案的用于鈉-金屬鹵化物電池的正極中使用的Ni金屬微絲的顯微照片。圖2a為說明根據本專利技術實施方案的鈉-金屬鹵化物電池的結構的一部分的俯視圖。圖2b為說明根據本專利技術實施方案的鈉-金屬鹵化物電池的結構的一部分的側視圖。圖3為說明根據本專利技術的實施例I和2及對比例制造的電池的放電時間相對于放電功率的圖。具體實施例方式本專利技術提供用于鈉-金屬鹵化物電池的正極。在本專利技術的用于鈉-金屬鹵化物電·池的正極中添加有金屬微絲。所述金屬微絲增強電子導電的正極導電粉體形成的網絡結構(cathode grid)，從而提高正極的電子導電性及其導電網絡的穩定性，由此降低電池內阻和改善電池放電功率。另外，金屬微絲的使用可潛在地延長電池壽命。在本專利技術的正極中使用的金屬微絲的金屬或金屬合金是電化學穩定的。具體地，所述金屬微絲的金屬或金屬合金在電池的充放電電壓范圍內不發生氧化還原反應。但是，在其中發生氧化還原反應的那些情況中，其通常為可逆的反應。這樣的反應應當僅發生在所述金屬微絲的淺表面，即當氧化到一定深度后，電化學氧化反應的動力學過程足夠緩慢，以至可以忽略。電化學反應受到表面鈍化的限制，像鋁在表面上形成氧化鋁薄膜后停止氧化一樣。這樣，所述金屬微絲隨著電池的循環不會被完全溶解，使得正極的導電性得到改善。所述金屬微絲的金屬的電阻率為10-6 Ω · cm或更低。示例性的微絲的金屬包括選自鎳、鑰和鎢的至少一種，但不限于此。在本專利技術的一個實施方案中，所述金屬微絲的長徑比大于10，優選大于20，所述金屬微絲的長徑比小于或等于100。所述金屬微絲的直徑為I微米-I毫米，優選1-200微米，更優選1-100微米,最優選10-100微米,和長度為優選Imm-lOmm。例如，在本專利技術的實例中使用的金屬微絲可為直徑小于100微米且長度l_3mm的鎳纖維。其顯微照片示于圖I中。在本專利技術的一個實施方案中，所述金屬微絲的體積分數大于逾滲閾值。當所述金屬微絲的體積分數大于逾滲閾值時，可建立連續的導電網絡，從而進一步改善正極的導電性。所述逾滲閥值是基于逾滲理論的值。其可通過數學模型計算得到，或者可通過實驗測定。例如，可以參見 E. J. Garboczi, K. A. Snyder, J. F. Douglas, Geometrical percolationthreshold of overlapping ellipsoids, Physical Review E，Volume 52，Number I。在本專利技術的一個實施方案中，當正極活性物料已經造粒時，所述金屬微絲可在所述活性物料顆粒之間和/或所述活性物料顆粒內部。具體地，如果在活性物料造粒過程中將所述金屬微絲與活性物料混合一起進行造粒，則所述金屬微絲存在于所述活性物料顆粒內部。如果在活性物料造粒后在正極填充過程中將金屬微絲添加到所述活性物料顆粒，則所述金屬微絲存在于所述活性物料顆粒之間。在本專利技術的正極中使用的活性物料可為在本領域中通常使用的任何活性物料。所述活性物料包括鎳粉，氯化鈉以及其它添加劑。例如，所述活性物料可包括40-70重量％的鎳(Ni)粉末、30-50重量％的氯化鈉(NaCl)、0. 1-5重量％的氟化鈉(NaF)、O. 1-5重量％的鋁(Al)粉末、O. 1-1重量％的碘化鈉(NaI)、0-20重量％的鐵(Fe)粉末、0_10重量％的硫化鋅(ZnS)、和0-10重量％的硫化亞鐵(II) (FeS)。根據本專利技術的正極還可包括正極電解液。所述正極電解液可為在本領域中通常使用的任何正極電解液，例如NaAlCl4。本專利技術還提供制造所述用于鈉-金屬鹵化物電池的正極的方法。根據本專利技術的制造正極方法與本領域中通常使用的制造正極的方法相同，除了在活性物料造粒過程和/或正極填充過程中添加金屬微絲以外。當期望所述金屬微絲存在于所述活性物料顆粒內部時，則在造粒過程中將所述金屬微絲與活性物料混合一起進行造粒。當期望所述金屬微絲存在于所述活性物料顆粒之間時，則在活性物料造粒后在正極填充過程中加入金屬微絲與所述活性物料顆粒混合，然后將所述混合物倒入正極室中。當期望所述金屬微絲存在于所述活性物料顆粒內部和所述活性物料顆粒之間兩者時，則可將以上兩個步驟都進行。 本專利技術還提供包括正極的鈉-金屬鹵化物電池。下面參照圖2a和2b說明根據本專利技術的鈉-金屬鹵化物電池的結構。圖2a為說明所述鈉-金屬鹵化物電池的結構的俯視圖，和圖2b為說明所述鈉-金屬鹵化物電池的結構的側視圖。參照圖2a，根據本專利技術的鈉-金屬鹵化物電池包括正極I、負極2、陶瓷電解質3、正極集流體4、外殼5、任選的墊片6、和碳氈7。參照圖2b，根據本專利技術的鈉-金屬鹵化物電池還包括電池填充口 8和密封系統9。在根據本專利技術的鈉-金屬鹵化物電池中，通過陶瓷電解質3隔開正極室和負極室，其中在陶瓷電解質3內部是正極室，且在陶瓷電解質3和外殼5之間是負極室。陶瓷電解質3可為本領域中通常使用的任何陶瓷電解質，例如β-氧化鋁。正極I容納在所述正極室中。在正極I中，活性物料(例如鎳和氯化鈉)的顆粒浸潰或者以其它方本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于鈉？金屬鹵化物電池的正極，其中在所述正極中添加有金屬微絲。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳惠箐，邁克爾瓦蘭斯，
申請(專利權)人：通用電氣公司，
類型：發明
國別省市：