[发明专利]大规模储能的金属氢电池

说明书

金属氢电池包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的电解液。第二电极包括双功能催化剂，以催化在第二电极处的氢析出反应和氢氧化反应。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月11日提交的美国临时申请62/544,508的权益，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

为了使诸如风能和太阳能之类的可再生能源与传统的化石燃料竞争，应当开发大规模的能量存储系统以减轻其固有的间歇性。成本(每千瓦时美元($kWh^-1))和长期使用寿命是大规模储能的最大优点。当前，抽水水电蓄能在电网储能市场中占据主导地位，因为它是长时间(约50年)存储大量能量的便宜的方式(约$100kWh^-1)，但由于缺乏合适的场所和环境足迹而受到限制。其他技术例如压缩空气和飞轮储能显示出一些不同的优势，但是它们的相对较低的效率和较高的成本对于电网存储应显著改善。可充电电池为针对低成本、高容量和高度可靠的大规模储能系统提供了巨大的机会。电池技术的代表包括铅酸、氧化还原流、锂离子、钠硫和液态金属；然而，由于各种未解决的问题，这些技术几乎不能满足大型公用事业市场的总体经济标准。为了实现美国能源部(DOE)的$100kWh^-1的电网存储目标，改进电池技术和先进材料是非常有必要的，但是却非常具有挑战性。

在这种背景下，需要开发本公开的实施方式。

发明内容

在一些实施方式中，金属氢电池包括(1)第一电极，(2)第二电极，以及(3)布置在第一电极和第二电极之间的电解液。第二电极包括双功能催化剂，以催化在第二电极处的氢析出反应和氢氧化反应。

在一些实施方式中，金属氢电池包括：(1)阴极，该阴极包括包含过渡金属的氧化还原反应材料；(2)催化氢阳极，其包括包含过渡金属合金的双功能催化剂，以及(3)置于阴极和催化氢阳极之间的碱性电解液。

在一些实施方式中，催化氢电极的制造方法包括：(1)提供导电基底和与该导电基底接触的沉积溶液，其中该沉积溶液包括双功能催化剂的前体，和(2)进行电沉积以形成覆盖导电基底的双功能催化剂的涂层。

也考虑本公开的其他方面和实施方式。前述概述和以下详细描述并不旨在将本公开限制于任何特定实施方式，而仅旨在描述本公开的一些实施方式。

附图说明

为了更好地理解本公开的一些实施方式的性质和目的，应当参考结合附图参看以下详细描述。

图1.高级Ni-H₂圆柱形电池。a，Ni-H₂圆柱形电池设计示意图。b，Ni-H₂电池的电极配置和规格。c，横截面扫描电子显微镜(SEM)图像显示阴极的厚度约700μm；比例尺，100μm。小图SEM图像显示，阴极由Ni(OH)₂微球组成；比例尺，5μm。紧凑的Ni(OH)₂阴极相对于活性Ni(OH)₂具有约2.6g cm^-3的高堆密度和约182mg cm^-2的质量载荷。d，3DNiMoCo阳极的SEM；比例尺，100μm。小图SEM显示镍泡沫上的NiMoCo纳米颗粒；比例尺，1μm。NiMoCo阳极的厚度约为200μm。

图2.高级Ni-H₂圆柱形电池的电化学性能。a，在约50mA的电流下电池的恒电流充放电曲线。b，电池在约100mA的恒定电流下的循环稳定性。