[发明专利]稳定的室温钠-硫电池

说明书

一种钠离子传导(例如，钠‑硫)电池，其可以是可再充电的，包含如本文所述的微孔主体硫复合材料阴极或液体电解质，所述液体电解质包含液体电解质溶剂和如本文所述的液体电解质盐或电解质添加剂或其组合。所述电池可用于诸如电池组等装置中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年3月4日提交的美国临时申请62/303,685的优先权。其全部内容在此参考并入。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在国家科学基金会授予的IIP-1237622号政府资助下进行的。政府拥有本发明的某些权利。

发明领域

本公开涉及钠离子传导电池。更具体地，本公开涉及钠-硫可充电电池。

背景技术

基于地球丰富材料的高能且廉价的可充电电池系统对于移动和固定能量存储技术都是重要的。能够在室温下稳定运行的可再充电钠-硫(Na-S)电池是这些平台中最受欢迎的电池之一，因为电芯利用双电子氧化还原过程来从廉价的电极材料中获得高存储容量。这种电池的实现充满了多种顽固的问题，包括电池再充电期间钠的不稳定电沉积、活性阴极材料通过溶解到电解质中而快速损失。

在一些综述中已充分描述了可充电锂电池在便携式电子设备中的重要性及其带电运输的潜力。最近的各种努力都集中在锂-硫(Li-S)化学上，因为它具有很高的理论比能(2500W h kg^-1)，高的天然丰度和硫阴极的环境友好性，在过去的十年中取得了很大进展。虽然仍然存在许多技术挑战，但使用金属锂作为阳极和使用硫作为阴极的电池的成本和可行性似乎对运输应用有利，但对于其中规模和成本与重量存储容量同样重要的电网相关应用则较少。钠，其作为第二轻且第二小的碱金属，是作为阳极的锂的低成本替代品，并且可以在全世界范围内获取，因此对钠基电池的兴趣早于锂基电池是不足为奇的。

具有熔融电极和固体β-氧化铝电解质的在300℃下操作的高温钠-硫(Na-S)电池已经商业化用于固定式能量存储系统，这证实了该电池化学可以满足电网规模应用可行性的规模和成本要求。具有更高理论比能量1274W h kg^-1的可充电Na-S电池的稳定室温(RT)类似物迄今为止已被证明是难以捉摸的。Na原子和Na⁺离子之间的大的尺寸差异限定了挑战的一个方面，因为这被认为使钠阳极比锂更容易形成不稳定的电沉积物和枝晶。钠还对非质子液体电解质溶剂更具反应性，并且在非质子液体中形成稳定性较差的保护性固体电解质中间相(SEI)，这导致较低的电化学转化效率和较差的寿命。Na⁺离子比Li⁺离子更大且还原性更小，这意味着阴极中电化学过程的传输和动力学更缓慢。最后，钠与硫的还原产物比锂的类似物更易溶解。总之，这些特性意味着除了已知的Li-S电池所面对的挑战之外，成功的Na-S电池还必须克服阳极和阴极的多个新挑战：硫的绝缘性质及其固态放电产品；中间体多硫化锂(LiPS)物质的溶解度，以及其在电极之间的相关穿梭(这降低了电池的库仑效率)；和电池放电时阴极的体积膨胀。重要的是，即使在Na金属阳极为液体的高温Na-S电池中使用固态电解质时，这些问题中的一些仍然存在。