双层氢氧化物（DLH）型化合物及其在用于具有石墨和树脂复合物以及电解质的能量存储设备的电极中的用途

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月13日提交的序列号为62/697,478、名称为“双层氢氧化物(DLH)型化合物及其在用于具有石墨和树脂复合物以及电解质的能量存储设备的电极中的用途”的美国临时专利申请的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及包含二价和三价镍离子的双层氢氧化物(DLH)型化合物，以及此类化合物在用于能量存储设备的电极中的用途。

背景技术

能量存储设备(例如，二次/可充电电池，可充电电池和蓄电池)通常包括正极、负极和电解质。按照惯例，正极是放电时的阴极，而负极是放电时的阳极。如本文所用，术语“阴极”是指放电循环中的正极，而术语“阳极”是指放电循环中的负极。

发明内容

一方面，提供了一种具有式为[Ni

在一些实施例中，A

掺入所述双层氢氧化物材料中的水分子在氧化还原过程中不起作用。水分子可能会占据中间层(interlayer)中由两个CO

在一些实施例中，所述化合物为尺寸为50nm至1500nm的扁平六方晶系(血小板(platelet))形式。在一些实施例中，所述晶体通常具有约为100nm的晶体尺寸。

在一些实施例中，所述化合物用于能量存储设备的电极中。

另一方面，提供了一种用于能量存储设备的电极的材料，所述材料包括如上述任一个实施例所定义的化合物。

在一些实施例中，所述材料是还包括粘合剂的复合材料。

在一些实施例中，所述材料还包括石墨。

另一方面，提供了一种用于能量存储设备的电极，其包括如上述任一个实施例所定义的材料。

在一些实施例中，所述电极是所述能量存储设备放电时的阴极。

在一些实施例中，所述电极是所述能量存储设备放电时的阳极。

另一方面，提供了一种能量存储设备，其包括如上述任一个实施例所定义的电极。

在一些实施例中，所述能量存储设备还包括第二电极，所述第二电极包含式为Fe

在一些实施例中，所述能量存储设备还包括电解质，所述电解质是CO

另一方面，提供了一种如上述任一个实施例所定义的式Ni

□在无氧气氛下共沉淀Ni

□在无氧气氛下通过快速添加过氧化氢，使式Ni

另一方面，提供了一种如上述任一个实施例所定义的能量存储设备的制备方法，包括：

□通过上述定义的方法制备如上述任一个实施例所定义的式Ni

□将步骤(a)中获得的化合物与石墨和第一树脂粘合剂结合以形成第一复合材料；

□由所述第一复合材料制备第一电极，例如扁平薄板；

□提供包括第二复合材料的第二电极，其中所述第二复合材料包括石墨、第二树脂粘合剂和式Fe

□提供一种电解质，所述电解质是pH为约8至约12的CO

□组装所述第一电极、第二电极和电解质以提供给所述能量存储设备。

在一些实施例中，在Ni

在一些实施例中，在Ni

在一些实施例中，所述第一粘合剂是树脂。

在一些实施例中，所述第二粘合剂是树脂。

在一些实施例中，所述缓冲剂的pH为约10。

附图说明

图1显示了Fe

图2是LiFePO

具体实施方式

现有的可充电锂离子电池广泛用于各种设备和应用中，但是具有各种缺点。例如，这样的电池不是非常“环境友好”，并且可能需要在回收时采取特定的预防措施。这种电池还需要较长的充电时间。此外，由于获得所述电池的锂矿床的稀有性，与锂相关的成本很高。

索尼(Sony)在1991年商业化的第一代锂离子电池是基于锂离子在阴极(例如锂过渡金属氧化物，如锂钴二氧化物或锂锰氧化物)和石墨阳极之间的可逆交换。需要使用非质子电解质(即没有酸性氢原子的电解质)，例如溶解在碳酸亚乙酯和丙烯或四氢呋喃的混合物中的LiPF

第二代锂离子电池，称为磷酸铁锂电池，利用LiFePO

活性矿物化合物LiFePO

磷酸铁锂电池的活性化合物可以写为Fe

从LiFe

充电：Li Fe

锂插入Fe

放电：Fe

与层状氢氧化物家族有关的亚铁-三价铁的氧羟基盐(oxyhydroxysalt)的示例描述于美国专利第9,051,190号中，其公开内容通过引用并入本文，并作为附件A)附于本文中。这些双层氢氧化物化合物(“DLH”)由包含位于八面体中心的二价和三价阳离子的层制成，八面体的顶点被羟基(OH

在Fe

充电：Fe

在Fe

放电：Fe

由此获得电池电极的活性化合物。然而，与磷酸锂铁电池的情况相反，不可能将石墨(作为插入化合物)用于第二电极。

因此，希望本公开的目的是提供一种第二电极，该第二电极可与上述包含Fe

本公开描述了一种具有双层氢氧化物型结构的新材料，其可以用作能量存储设备中的第二电极，该能量存储设备在其第一电极中采用式Fe

该材料具有通式：[Ni

特别地，材料可具有式[Ni

在Ni

充电：Ni

在Ni

放电：Ni

在如上所述的同时包含Ni

在这种能量存储设备中，哪个电极将是阴极，哪个电极将是阳极，可以通过实验确定(并且可能取决于Ni

如果阴极是含Ni

Ni

在阳极的相关反应为：

Fe

电荷平衡为：

3Ni

于是，在上述情况中，阴极是Ni

另一方面，如果阴极是含Fe

在阳极的相关反应为：

Ni

电荷平衡为：

4Fe

于是，在这种情况下，阴极是Fe

在一些实施例中，能量存储设备中的电解质可以是具有碱性pH(例如pH为8-12或9-11)的CO

通过合成合适的双层氢氧化物，然后立即用过氧化氢原位去质子化将其氧化，可以得到上述的Ni

可以将Ni

可以串联设置几对这样的电极(就像在其他电池中一样)，以增加能量存储设备的功率。

引用出版物和专利文件无意承认任何都是相关的现有技术，也不构成对其内容或日期的任何承认。本领域技术人员将认识到，本文描述的发明可以在各种实施例中实践，并且前面的描述和下面的示例都是出于说明的目的，而不是对所附权利要求的限制。

如本文所定义和使用的所有定义应被理解为受控于字典的定义、通过引用并入文档中的定义和/或所定义术语的通常含义。