[发明专利]用于可再充电镁离子蓄电池的铟-锡二元阳极

说明书

相关申请的引用

本申请要求2012年5月30日提交的美国专利申请序列号13/483,388的优先权，其全部内容在此通过引用全部并入本文。

发明领域

本发明涉及可再充电的镁离子蓄电池。

背景技术

已发现锂离子蓄电池具有广泛的应用。然而，具有较高的体积能量密度的改进的蓄电池可允许在各种应用，包括机动车中进一步使用蓄电池。

发明概述

本发明的实例包括具有第一电极和第二电极的镁离子(Mg²⁺)可再充电的(二次)蓄电池。在一些实例中，第一电极具有包括铋(Bi)和锡(Sn)的活性材料，其中第一电极是阳极，用于放电循环的负电极。该活性材料可以是Bi和Sn的二元组合，且可包括Bi和Sn区的混合物，二元固溶体，金属间化合物，或它们的某些组合。在一些实例中，阳极包括铋-锡(Bi-Sn)金属间化合物。

本发明的实例包括高容量的Bi-Sn阳极二元活性材料(它兼有铋(Bi)的大的可逆性和锡(Sn)的优异容量以用在可再充电的镁离子蓄电池中)，充当Mg²⁺离子主体(host)材料的阳极二元活性材料。

例举的镁离子蓄电池包括阳极载体，阳极，电解质层，阴极，和阴极载体。阳极和阴极载体可包括金属，且可以是蓄电池外壳的一部分并允许与蓄电池电接触。因此，阳极和阴极载体也可以是蓄电池终端。可使用Bi和Sn，例如使用溅射或任何其他合适的沉积方法，制造阳极。在一些实例中，可在蓄电池的阳极终端上，直接形成阳极活性材料，该终端的外侧表面提供蓄电池电接触，和该终端的内表面充当活性材料沉积在其上的阳极载体。

阳极可包括含Bi和Sn，例如Bi和Sn的二元组合的活性材料。阳极可包括Bi-Sn二元合金，例如作为一种金属在另一种金属内的固溶体。阳极可包括Bi和/或Sn的离散团块，且可包括Bi和Sn的纳米颗粒。在一些实例中，阳极活性材料包括Bi-Sn二元金属间化合物，例如Bi_1-xSn_x形式的Bi-Sn二元金属间化合物。在一些实例中，金属间化合物可能不是精确化学计量的，或者具有长程的结晶性能，但可近似于这一材料。

蓄电池具有在第一和第二电极之间，即在阳极和阴极之间的电解质层。电解质层可包括镁离子源(Mg²⁺)，例如镁化合物，尤其镁盐。可将镁化合物溶解在非水性溶剂，例如有机溶剂，例如四氢呋喃(THF)中。抗衡离子可以是三氟甲磺酰亚胺(TSFI^-)，高氯酸根(ClO₄^-)，六氟磷酸根(PF₆^-)，或其他抗衡离子，优选抗衡离子具有高的氧化稳定性。在其他实例中，电解质包括在离子液体内的镁离子，例如作为在离子液体(或熔融盐)内的离子镁化合物的溶液。

在一些实例中，电解质层可包括间隔体或分隔体，以防止阳极和阴极之间的物理和因此电接触。在一些实例中，电解质层可包括可传导镁离子的聚合物离子传导层。

本发明的实例包括在放电循环过程中，通过形成完全镁化的Bi和Sn相，能经历镁离子的插入和提取的Bi-Sn二元阳极。这一材料可将Bi阳极的有利的可逆性和Sn阳极的高容量结合到单一材料内。

制备镁离子蓄电池的方法包括在电极载体上沉积Bi和Sn，以便形成Bi-Sn的二元活性材料，例如包括组成为Bi_1-xSn_x的金属间膜。进一步地，该膜可用作还含提供电解质和阴极的改进的镁离子蓄电池的阳极组件，以便形成镁离子蓄电池。

操作镁离子蓄电池的改进方法包括：提供含Bi和Sn的阳极，含镁离子的电解质，和阴极，和通过在阳极内储存镁离子，获得电能。镁离子的储存可包括形成Bi和Sn的镁化化合物，在一些实例中，完全镁化的化合物。

附图简述

图1示出了例举的镁离子蓄电池。

图2阐述了镁离子在Bi-Sn膜内的插入和提取。

图3示出了在将镁离子插入到膜内的过程中，各个阶段的扫描电镜(SEM)图像，其中图3A示出了沉积状态的Bi-Sn膜，图3B阐述了在放电循环过程中形成Mg₃Bi₂，和图3C示出了在放电循环过程中，形成Mg₂Sn。在图2中的字母A，B和C分别对应于图3A，3B和3C。