[发明专利]使用两相工作材料的非化学电池

说明书

通过利用冷凝物“工作材料”的不同状态或相之间的相变，可以大大改善能量存储。这样的相构成电池的高能量“充电”和低能量“放电”状态。这两相以不同的方式导电。这由决定电池开路电压的不同化学势反映。这样的电池的能量密度可以容易超过当前化学电池和超级电容器的能量密度。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月16日提交的，标题为“使用两相工作材料的非化学电池”的美国临时专利申请No.62/644,068的优先权，其公开内容并入本文。

背景技术

能量存储是越来越多场景的重要组成部分，例如，为电动车辆、便携式设备充电以及太阳能的存储和移动应用。当前的现有技术使电能存储起来，例如在电池中以化学形式，在电容器中则处于电场中、电介质材料的极化，而在超导环路中则以磁性形式，在飞轮发电机组合中以机械形式，或者在水力发电设备中以重力形式。

当前的能源基准，核能为1.5x10¹⁸J/m³(铀增殖反应堆)，而化石燃料≈4x 10¹⁰J/m³(煤油)，并且当前的锂离子化学电池≈1x10⁹J/m³，超级电容器≈5x10⁷J/m³。排除核能和给定的化石燃料，发动机的效率不到50％，那么一个理想的电池将相当于能量密度≈2x10¹⁰J/m³和高功率密度，即充放电时的大电流。

除了核能之外，所有这些能源都与原子物理学相对应，这意味着对能量密度的某些一般限制。例如，化学电池的放电涉及原子外部轨道之间的电子转移。所涉及的能量由里德伯格(Rydberg)13.6eV量化，也就是说，电子的转移所涉及的能量总是小于或等于该量级，并且对应于大约13.6V的电势差。

由于开路端电压受到该势差的限制，因此电池的端电压不能超过10V，每个原子不能存储超过约10eV。典型的能量存储材料，例如LiCoO₂约为10²⁸原子/m³，理想极限为10Vx1.6x10^-19J/V x10²⁸→1.6x10¹⁰J/m³。如果电子过程涉及每个原子2或3个电子，则存在相应倍数的潜在增益。1.6x 10¹⁰J/m³约比当今最好的化学锂离子电池大20倍。由于类似地限制了材料可以承受而不会击穿的电场，因此该估计值也适用于此处所述的电容器和相变电池。如果以例如kWhr/kg为单位测量能量，则较之诸如Co或Fe之类的3d过渡金属，较轻的元素(如Li，Na，Mg或Al)受关注度会大2-3倍。

化学电池具有有限的功率密度，这反映了缓慢的离子传输并导致差的充电和放电性能。此外，现有电池对离子传输的依赖总是导致电池的高降解速率。另一方面，电容器涉及具有相应较高的功率密度的快速电子传输，但是具有非常少的有用工作材料和相应较小的能量密度。

需要一种改进的能量存储技术。

发明内容

总的来说，本发明使用一种能量存储材料，该能量存储材料占据了电池的大部分体积并且通过电子传输进行操作。大约固定体积的能量存储材料包括具有第一相和较高绝对能量密度的第一部分工作材料，具有第二相和较低绝对能量密度的第二部分工作材料。这些由畴(或相)壁隔开。存在外部电路，连接材料的第一部分和第二部分。随着一阶相变的进行，畴壁发生位移，导致以第二部分的体积为代价，第一部分的体积增加，总存储能量减少。这种与放电相对应的自发畴壁运动导致电流在外部电路中流动。在充电周期中，以相反的方向驱动电流，导致畴壁反向运动。现在，以第二低能量部分为代价，第一高能量密度部分的比例增加，并且总存储能量得以恢复。