專利名稱：在極端條件下使用的電化學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容大致涉及將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電化學(xué)電流的電化學(xué)裝置，且更具體地涉及可在極端條件下使用的電化學(xué)裝置。發(fā)明背景
全球范圍內(nèi)能源需求的增加以及較易開采的油田儲(chǔ)量的衰竭推動(dòng)對(duì)更惡劣或極端環(huán)境(如深水)的探索并且正在進(jìn)行地?zé)崮茔@探。這些惡劣環(huán)境通常涉及高壓和/或高溫條件。這些高壓和/或高溫條件通常對(duì)給井下設(shè)備供電的裝置提出更嚴(yán)苛的要求。過(guò)去，鋰亞硫酰氯(LiSOCl2)電池已作為在油井井下開采中廣泛使用的電源。但是，LiSOCl2電池本身由于鋰的低熔化溫度而在高溫下不穩(wěn)定且這些物理性質(zhì)易于將LiSOCl2電池的運(yùn)行溫度限制為最高200°C。LiSOCl2電池超過(guò)這些限值可能導(dǎo)致電池故障、性能劣化和潛在的電池爆炸。
發(fā)明概要本公開內(nèi)容的實(shí)施方案大致提供一種用于高溫條件下的電化學(xué)裝置，所述裝置包括至少一個(gè)陰極、鋰基陽(yáng)極、離子液態(tài)電解質(zhì)和隔膜，其中所述裝置在從大約0°c到180°C、200°C、220°C、240°C或260°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。陰極可以是具有化學(xué)式CFx的氟化碳，其中X在0.3到I的范圍中。氟化碳可在無(wú)表面活性劑的情況下形成?；蛘?，陰極可包括MnO2或FeS2。鋰基陽(yáng)極可選自包括鋰、具有化學(xué)式LixMy的二元合金和Li-B-Mg或Li_Mg_xM的錠合金的組，其中M是鎂、硅、鋁、錫、硼、鈣或其組合。離子液體電解質(zhì)可通過(guò)在選自包括EMI、MPP、BMP、BTMA, DEMMoEA、雜化電解質(zhì)和其混合物的組的離子液體中溶解鋰鹽而形成。隔膜可選自來(lái)自包括纖維玻璃、PTFE、聚酰亞胺、氧化鋁、二氧化硅和氧化鋯的組的至少一種材料。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的這種電化學(xué)裝置可包括由下列材料的至少一種形成的集電體鎳、鈦、不銹鋼、鋁、銀、金、鉬、碳布和碳包覆鈦或不銹鋼。陰極還可被壓到泡沫或網(wǎng)格上以形成集電體。這種電化學(xué)裝置還可包括由下列材料的至少一種形成的外殼不銹鋼、高鎳不銹鋼、鈦、貴金屬電鍍不銹鋼和非金屬包覆不銹鋼。或者，陰極可以直接附接至裝置的外殼。裝置可具有選自包括線軸結(jié)構(gòu)、薄層涂層、螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和中厚層包裹結(jié)構(gòu)的組的構(gòu)造。本公開內(nèi)容的另一個(gè)實(shí)施方案涉及高溫電源，其包括氟化碳陰極、鋰基陽(yáng)極、隔膜和離子液體電解質(zhì)，其中電源在從大約0°c到260°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。離子液體電解質(zhì)可通過(guò)在選自包括EMI、MPP、BMP、BTMA, DEMMoEA、雜化電解質(zhì)和其混合物的組的離子液體中溶解鋰鹽而形成。鋰基陽(yáng)極可選自包括鋰、具有化學(xué)式LixMy的二元合金和Li-B-Mg和Li-Mg-xM的錠合金的組，其中M是鎂、硅、鋁、錫、硼、鈣或其組合。本公開內(nèi)容的另一個(gè)實(shí)施方案涉及用于高溫條件下的電池，所述電池包括低價(jià)氟化碳陰極、對(duì)應(yīng)重量比為64 32 4的Li-B-Mg陽(yáng)極和離子液體電解質(zhì)，其中電池在從大約0°C到260°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。低價(jià)氟化碳可具有化學(xué)式CFx，其中X具有O. 9的值。離子液體電解質(zhì)可在溶解在MPP中的LiTFSI的濃度為O. IM至IM的范圍內(nèi)。電池還可包括隔膜，所述隔膜包括選自包括聚酰亞胺、PTFE、多孔陶瓷，如氧化鋁、二氧化硅或氧化鋯或纖維玻璃和其組合的組的兩層材料。所述電池還可包括由鎳、不銹鋼、鋁、銀、金、鈦、碳布或碳包覆不銹鋼或鈦形成的網(wǎng)狀集電體。附圖簡(jiǎn)述為了更全面地理解本公開內(nèi)容和其特征，現(xiàn)將結(jié)合下列附圖參考下文描述，其 中圖I描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的在高溫暴露接觸碳包覆鈦后的CFx陰極材料的X射線衍射分析；圖2描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的在高溫暴露接觸不銹鋼316后的CFx陰極材料的X射線衍射分析；圖3描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的在高溫暴露接觸鎳合金625后的CFx陰極材料的X射線衍射分析；圖4描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的陽(yáng)極的差示掃描量熱(DSC)分析；圖5描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的離子液體電解質(zhì)的熱重分析(TGA)曲線；圖6描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的不同離子液體電解質(zhì)的DSC分析；圖7描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的不同離子液體電解質(zhì)的CFx陰極/電解質(zhì)半電池構(gòu)造的DSC分析；圖8描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的不同離子液體電解質(zhì)的鋰基陽(yáng)極/電解質(zhì)半電池構(gòu)造的DSC分析；圖9描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的高溫電池的放電曲線；

圖10描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的高溫電池的電壓曲線。
具體實(shí)施例方式功能性電池化學(xué)基于具有特定電動(dòng)勢(shì)(emf)以在電池中驅(qū)動(dòng)電流流動(dòng)的電化學(xué)耦合。電池涉及至少一種電化學(xué)反應(yīng)，其在放電期間跨電極與其共同電解質(zhì)之間的界面發(fā)生。因此，電化學(xué)裝置的組件須彼此相容。對(duì)于高溫條件，如可能在油田地下開采和生產(chǎn)操作中發(fā)生的高溫條件，裝置組件還應(yīng)在暴露于極端條件時(shí)熱穩(wěn)定。電化學(xué)裝置的其它組件，如電池外殼和集電體也需被構(gòu)造來(lái)承受這些極端條件。本公開內(nèi)容的實(shí)施方案提供電化學(xué)裝置，如電池或電源，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電化學(xué)電流，并且可在嚴(yán)苛或極端條件下提供改進(jìn)的性能。所述裝置可包括至少一個(gè)陰極，即包括低價(jià)氟化碳或一氟化碳的正電極；陽(yáng)極，即負(fù)電極；和離子液體電解質(zhì)。所述裝置還可包括集電體以及包括對(duì)于裝置的其它組件呈電化學(xué)惰性的材料的外殼。所述裝置還應(yīng)包括隔膜，所述隔膜可物理地和電隔離兩個(gè)電極，同時(shí)允許離子電流跨電極流動(dòng)。
不同的裝置組件-陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)、集電體、隔膜和電池外殼可由允許跨寬運(yùn)行溫度范圍的可靠能源供應(yīng)的材料形成。更具體地，形成根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的電化學(xué)裝置的材料可被構(gòu)造成在200°C或更高溫度下運(yùn)行，所述溫度大約是鋰亞硫酰氯(LTC)電池的當(dāng)前運(yùn)行極限?；氐礁鶕?jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的電化學(xué)裝置的陰極組件，固態(tài)陰極，如低價(jià)氟化碳或一氟化碳可用于極端高溫度條件。這些類型的陰極材料可在大約350°C到600°C的溫度下合成。這樣的話，其是化學(xué)穩(wěn)定的且在更高溫度范圍內(nèi)不會(huì)熱分解。低價(jià)氟化碳是具有通用化學(xué)式CFx，其中X的范圍從大約O. 3到I的碳-氟層間化合物。這個(gè)范圍內(nèi)的氟化數(shù)可確保陰極的良好導(dǎo)電性并且增大陰極材料的功率密度。這個(gè)范圍內(nèi)的較高氟化數(shù)，如O. 9或更高可用于支持高容量/低速率應(yīng)用。但是這個(gè)范圍內(nèi)的較低氟化數(shù)也可以用于獲得高運(yùn)行電壓，在放電開始時(shí)無(wú)電壓延遲。氟化碳陰極材料可使用可行的前體材料的陣列制作，包括但不一定限于活性炭、納米碳和石墨。前體材料通常可具有小粒子大小以提供更大的表面積以及允許材料填充成 更高密度構(gòu)造。這個(gè)更大表面積和更高密度構(gòu)造還可促進(jìn)更高功率和更高能量使用。此外，根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的陰極通常可在無(wú)除溶劑以外的組份的情況下形成，如水和/或異丙醇、粘合劑和Super P(碳)。這脫離了使用如表面活性劑的添加劑的傳統(tǒng)陰極形成方法。在本公開內(nèi)容的實(shí)施方案中，陰極可形成為CFx/碳/粘合劑，對(duì)應(yīng)重量比為85/10/5。此外，應(yīng)了解除一氟化碳和低價(jià)氟化碳之外的材料可用作根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的電化學(xué)裝置的陰極組件。替代的陰極材料可包括MnOjPFeS2和其組合。MnO2已基于DSC分析評(píng)估并且在大約100°C到150°C的溫度范圍內(nèi)性能良好。FeS2也展現(xiàn)與MnO2類似的性質(zhì)和表現(xiàn)。集電體可用于提高根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的陰極利用率。例如，所選擇的陰極材料可被壓到由包括但不一定限于鎳、鈦、鋁、貴金屬，如銀、金或鉬、碳布、不銹鋼和碳包覆不銹鋼的材料形成的金屬泡沫或網(wǎng)格上。泡沫可賦予有關(guān)陰極材料的更大表面積接觸。這種更大的表面積可提高陰極材料至基板的粘合度以及穿過(guò)陰極材料的電傳導(dǎo)。雖然網(wǎng)格與泡沫相比可能具有有關(guān)陰極材料的較小表面接觸面積，但是其仍可提供與泡沫類似的速率能力和類似的容量。非金屬集電體的使用和/或在集電體上包括碳涂層可提高耐腐性以避免可能在使用時(shí)導(dǎo)致裝置短路的潛在的腐蝕問(wèn)題。使用X射線衍射陰極分析評(píng)估不同集電體的有效性。陰極樣品在220°C下維持與不同集電體材料接觸達(dá)150小時(shí)且隨后使用X射線衍射分析陰極。圖I至圖3描繪了分別高溫暴露接觸碳包覆鈦、不銹鋼316和鎳合金625后的CFx陰極材料的x射線衍射分析。這些結(jié)果描繪為強(qiáng)度(a. u.)對(duì)Cu K α 2 Θ (度)。這些X射線衍射結(jié)果揭露碳包覆鈦、不銹鋼316和鎳合金625可以是有效的集電體。這些材料針對(duì)測(cè)試條件下的腐蝕相對(duì)穩(wěn)定，因?yàn)槲窗l(fā)現(xiàn)腐蝕副產(chǎn)物且CFx含量保持相同。但是，應(yīng)了解其它材料，包括但不一定限于鋁、鎳、鈦、銀、金、鉬、不銹鋼、碳布和包覆碳的不銹鋼或鈦可用作集電體而不脫離本公開內(nèi)容。但是，在本公開內(nèi)容的一些實(shí)施方案中，陰極材料可直接附接至裝置外殼以免去對(duì)集電極的需要。這種直接附接也可以驅(qū)散可能在放電期間產(chǎn)生的反應(yīng)熱。
回到根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置的陽(yáng)極組件，過(guò)去，純鋰常被用作LiSOCl2電池的陽(yáng)極。但是，因?yàn)榧冧嚲哂写蠹s180°C的熔化溫度，所以將純鋰并入根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置中可能使裝置運(yùn)行受限于大約175°C的最高溫度。雖然包括純鋰作為陽(yáng)極的本公開內(nèi)容的實(shí)施方案可在高至175°C下正常運(yùn)行，但是這可能導(dǎo)致這樣一種裝置在暴露于極端條件時(shí)的不良性能。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的陽(yáng)極可包括在較高溫度下具有較高熱穩(wěn)定性的材料，但是所述材料可能減小這樣一種電化學(xué)系統(tǒng)的emf。在一些實(shí)施方案中，鋰可與第二元素形成合金，如鈣、鋁、鋅和鎂。這些鋰基合金材料可在大約260°C的溫度下穩(wěn)定。這些鋰合金可在放電期間釋放鋰離子但不在高溫下物理熔化。純鋰或不同鋰合金可用于根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置中。合金可包括非溶液二元鋰合金，其中純鋰可包含在結(jié)構(gòu)矩陣Li(x)M(y)或LihMx中，且M可代表鎂、硅、鋁、 錫、硼、鈣、鋅或其組合。例如，鋰鎂可用作更高溫度電池的鋰二元合金。這些合金的第二元素含量可取決于所需的溫度上限和相關(guān)的放電負(fù)載曲線而從1%重量比變化到25%重量t匕。但是為了將陽(yáng)極的熔化溫度提高到更高值(如大約210°C或更大溫度)，可能須將更大量的鎂并入合金中。這些更大量的鎂可能導(dǎo)致合金更硬而且脆且因此可能使陽(yáng)極配制更復(fù)雜以及使電池裝配和制作更困難。由合金粒子粉末配制成的復(fù)合陽(yáng)極也可能因具有更大表面積而增強(qiáng)高溫下不穩(wěn)定的特征。因此，雖然具有更大量的第二元素的更傳統(tǒng)二元鋰合金可用作根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的陽(yáng)極，但是在某些情況下，錠鋰合金可用于取代上述二元鋰合金以方便裝配和制作以及維持更高的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)功能。這些錠鋰合金可包括Li-B-Mg或Li-Mg-xM，其中M可代表硅、鋁、錫、硼、鈣、鋅或其組合。使用差示掃描量熱(DSC)相對(duì)于純鋰評(píng)估不同的二元和錠鋰合金，包括Li-Mg、Li-B-Mg, Li-B, Li-Si和Li-Al。圖4描繪在從室溫至大約260°C的溫度范圍內(nèi)純鋰金屬、Li-B-Mg(對(duì)應(yīng)重量百分比為64 32 4)、Li_Si (對(duì)應(yīng)重量百分比為44 56)和Li-Al (對(duì)應(yīng)重量百分比為27 73)的熱流(W/g)對(duì)溫度的DSC分析的結(jié)果。當(dāng)在這個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，純鋰在大約180°C下顯示預(yù)期的吸熱峰值。發(fā)現(xiàn)Li-Al和Li-Si未在這個(gè)溫度范圍的最大值下熔化。Li-B-Mg和Li-B也在大約180°C至190°C下顯示吸熱峰值，表明對(duì)應(yīng)于限制在更高熔點(diǎn)合金矩陣中的純鋰金屬熔化的受抑制熱行為?；氐綄⒉⑷胱鳛楦鶕?jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置的一部分的電解質(zhì)，有機(jī)電解質(zhì)已用于一些商業(yè)電池中，但是其被證實(shí)不適用于將在極端條件下運(yùn)行的電化學(xué)裝置。因此，根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置可并入非揮發(fā)性離子液體電解質(zhì)以顯著擴(kuò)大用于高溫應(yīng)用中的裝置的溫度范圍。離子液體電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定且通常在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)與陰極材料以及陽(yáng)極材料兩者相容。此外其通常在高溫下熱穩(wěn)定，且其通常具有非常低的蒸汽壓。此外，并入離子液體電解質(zhì)的裝置通常在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)維持特定的離子導(dǎo)電性。鋰鹽，如Li-TFSI可溶解在數(shù)種離子液體的一種中，其中鹽具有O. IM至I. OM的濃度，以形成根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的離子液體電解質(zhì)?？筛鶕?jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案使用的離子液體的實(shí)施例包括但不一定限于EMI [I-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲磺酰)亞胺]、MPP [I-甲基-I丙基哌啶雙(三氟甲磺酰)亞胺]、BMP [I-丁基-I-甲基吡咯烷雙(三氟甲磺酰)亞胺]、BTMA [ 丁基三甲基銨雙(三氟甲磺酰)亞胺]、DEMMoEA [ 二乙基甲基-(甲氧乙基)銨雙(三氟甲磺酰)亞胺]、具有類似性質(zhì)的其它離子液體和其組合。針對(duì)重量損失使用熱重分析(TGA)通過(guò)從室溫百分比掃描到大約260°C的溫度而評(píng)估每種上述離子液體電解質(zhì)。圖5描繪針對(duì)通過(guò)在包括EMI、MPP、BMP和與DEC混合的EMI中溶解鋰鹽而形成的不同離子液體電解質(zhì)的從室溫到大約400°C的TGA數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)不同電解質(zhì)在重量損失最小的情況下熱穩(wěn)定到大約350°C。與大約20%重量比DEC混合的EMI在加熱到大約100°C時(shí)導(dǎo)致有機(jī)電解質(zhì)蒸發(fā)，同時(shí)剩余EMI維持其跨測(cè)試運(yùn)行溫度范圍的穩(wěn)定性。此外，執(zhí)行差示掃描量熱(DSC)來(lái)在溫度范圍(從室溫直到大約260°C )內(nèi)評(píng)估不同的離子液體電解質(zhì)?；氐綀D6，圖6描繪針對(duì)通過(guò)在EMI、MPP和BMP中溶解鋰鹽而形成的離子液體電解質(zhì)的熱流(W/g)對(duì)溫度的DSC分析結(jié)果；但是在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯反應(yīng)。實(shí)際上，圖6中描繪的DSC數(shù)據(jù)表明基本上不存在與這些離子液體電解質(zhì)的分解或化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的熱變化。
此外，在所選擇的陰極和陽(yáng)極組件存在的情況下測(cè)試不同的離子液體電解質(zhì)。這些測(cè)試要求將一小片固體陽(yáng)極材料或陰極材料單獨(dú)放入電解質(zhì)溶液中。個(gè)別的陰極/電解質(zhì)和陽(yáng)極/電解質(zhì)混合物隨后經(jīng)歷DSC實(shí)驗(yàn)性掃描。圖7和圖8描繪不同離子液體電解質(zhì)的CFx陰極/電解質(zhì)和鋰基陽(yáng)極/電解質(zhì)半電池構(gòu)造的DSC分析。發(fā)現(xiàn)不同的離子液體電解質(zhì)與所選擇的陰極和陽(yáng)極材料具有良好的相容性。例如，發(fā)現(xiàn)不同的陽(yáng)極材料未在離子液體電解質(zhì)存在的情況下顯示過(guò)多的反應(yīng)性。在本公開內(nèi)容的另一個(gè)實(shí)施方案中，包括離子液體和有機(jī)電解質(zhì)的混合物的雜化電解質(zhì)可用于進(jìn)一步擴(kuò)大運(yùn)行溫度范圍。這樣一種雜化電解質(zhì)的離子液體比率可包括大約50 %到99 %的所得組合物?；氐綄⒉⑷胱鳛楦鶕?jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置的一部分的裝置外殼，所述裝置外殼可由一種或多種材料構(gòu)成，包括但不一定限于不銹鋼、高鎳不銹鋼、鈦、非金屬包覆不銹鋼、貴金屬電鍍不銹鋼或?qū)τ谘b置的其它組件呈電化學(xué)惰性的其它材料。這樣一種外殼可跨運(yùn)行溫度范圍為裝置提供密封殼。裝置結(jié)構(gòu)可包括多種構(gòu)造的一種，包括但不一定限于線軸結(jié)構(gòu)、薄層涂層、螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和/或中厚層包裹結(jié)構(gòu)。螺旋纏繞結(jié)構(gòu)提供更大的金屬暴露面積和更大的陽(yáng)極/陰極界面面積，導(dǎo)致高溫電化學(xué)裝置中可能的更高的自放電。螺旋纏繞結(jié)構(gòu)與線軸構(gòu)造相比還可包括更多的不活動(dòng)組件，其可能導(dǎo)致裝置的較低能量密度。隔膜可用于本公開內(nèi)容的實(shí)施方案中以將裝置中的電池組件(陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì))分開。隔膜通常在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定并且與其它組件化學(xué)相容。此外，隔膜應(yīng)具有良好的介電性能，具有更高的電絕緣以及液體滲透性和離子傳輸。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的隔膜可包括但不一定限于纖維玻璃、PTFE、聚酰亞胺和多孔陶瓷，如氧化鋁、二氧化硅或氧化鋯。兩個(gè)隔膜的組合也可以并入根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的裝置中。作為一個(gè)實(shí)施例，PTFE可與鋰或鋰合金相容并且因此可使用第二隔膜來(lái)面向陽(yáng)極同時(shí)使用PTFE來(lái)面向陰極。本公開內(nèi)容的實(shí)施方案涉及可在高溫下使用的電池。這樣一種電池可包括具有大約O. 9的X值的CFx陰極和具有對(duì)應(yīng)重量比64 32 4的Li-B-Mg陽(yáng)極。由O. 5M溶解在MPP中的雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)組成的離子液體電解質(zhì)可用于本公開內(nèi)容的這個(gè)實(shí)施方案中。電池還可包括由具有大約60%孔隙度和39 μ m厚度的兩層聚酰亞胺、纖維玻璃、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或PTFE組成的隔膜。可使用網(wǎng)狀集電體且集電體以及外殼兩者可包括鎳、不銹鋼、鋁、鈦、銀、金、碳布或碳包覆不銹鋼或鈦。如圖9所示，根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案形成的電池可在2. OV截止下提供大約300至400小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，平均陰極利用率為大約89%。但是，應(yīng)了解因如由于室溫下的高粘度和非最優(yōu)化電極形成而造成的與離子液體電解質(zhì)之間不良的電極可濕潤(rùn)性的因素在室溫下的運(yùn)行時(shí)間可能較短(在5至15小時(shí)的范圍內(nèi))，放電速率較低。圖10描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的在225°C下運(yùn)行的高溫電池的電壓曲線。在這個(gè)測(cè)試中，電池在放電前在短路情況下暴露于相同溫度達(dá)大約350小時(shí)。暴露在2. 5伏的截止電壓下停止。這個(gè)放電曲線展示良好的電壓行為，無(wú)作為鋰亞硫酰氯電池化學(xué)中存在的問(wèn)題的鈍化或相關(guān)的電壓延遲效應(yīng)。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的電池或裝置可在從零下攝氏度到給從井筒表面行進(jìn)穿過(guò)井的井筒的油/氣開采和生產(chǎn)工具供電所需的一些最高溫度的寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。這種裝置還可在安裝在油/氣井部署的不同深度和多邊上的遙測(cè)通信中繼器的最大 溫度區(qū)內(nèi)運(yùn)行。使用根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的裝置還可能適于用于井測(cè)、鉆探和測(cè)量、檢測(cè)和其它油田應(yīng)用的長(zhǎng)期安裝。這些裝置提供優(yōu)于用標(biāo)準(zhǔn)鋰亞硫酰氯化學(xué)形成的電池的性能且無(wú)高體積密度、寬運(yùn)行溫度或用戶界面友好操作方面的取舍。根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的電化學(xué)裝置還可以用于油田行業(yè)外的的應(yīng)用，包括但不一定限于航天、太空探索、汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)、醫(yī)療和軍事防御應(yīng)用。例如，根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施方案形成的高溫電池可用于取代常用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)的現(xiàn)有LiMnO2電池。雖然已詳細(xì)描述本公開內(nèi)容，但是應(yīng)了解可對(duì)本文進(jìn)行各種改變、替代和變更而不脫離如隨附權(quán)利要求所定義的本公開內(nèi)容的精神和范圍。此外，本申請(qǐng)案的范圍并非旨在受限于說(shuō)明書中所述的工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特定實(shí)施方案。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員易從本公開內(nèi)容中了解，可根據(jù)本公開內(nèi)容使用執(zhí)行與本文所述的相應(yīng)實(shí)施方案基本相同的功能或?qū)崿F(xiàn)與本文所述的相應(yīng)實(shí)施方案基本相同的結(jié)果的現(xiàn)有或?qū)?lái)開發(fā)的工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。因此，隨附權(quán)利要求旨在在其范圍內(nèi)包括這些工藝、機(jī)器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于高溫條件下的電化學(xué)裝置，所述裝置包括 陰極、鋰基陽(yáng)極、離子液態(tài)電解質(zhì)和隔膜， 其中所述裝置在從0°c到180°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述陰極選自包括下列物質(zhì)的組 具有化學(xué)式CFx的氟化碳，其中X在O. 3到I的范圍中、MnO2和FeS2。
3.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括由下列材料的至少一種形成的集電體鎳、鈦、不銹鋼、鋁、銀、金、鉬、碳布、碳包覆鈦和碳包覆不銹鋼。
4.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陰極被壓到泡沫或網(wǎng)格上以形成集電體。
5.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置還包括 由下列材料的至少一種形成的外殼不銹鋼、高鎳不銹鋼、鈦、貴金屬電鍍不銹鋼和非金屬包覆不銹鋼。
6.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陰極直接附接至所述外殼。
7.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述鋰基陽(yáng)極選自包括下列物質(zhì)的組 鋰、具有化學(xué)式LixMy的二元合金、具有化學(xué)式LVxMx的二元合金和Li-B-Mg或Li-Mg-xM的錠合金，其中M是鎂、硅、鋁、錫、硼、鈣、鋅和其組合。
8.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述離子 液體電解質(zhì)通過(guò)在選自包括下列物質(zhì)的組的離子液體中溶解鋰 鹽而形成 EMI、MPP、BMP、BTMA, DEMMoEA、雜化電解質(zhì)和其混合物。
9.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置具有選自包括下列結(jié)構(gòu)的組的構(gòu)造 線軸結(jié)構(gòu)、薄層涂層、螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和中厚層包裹結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述隔膜選自來(lái)自包括下列材料的組的至少一種材料 纖維玻璃、PTFE、聚酰亞胺、氧化鋁、二氧化硅和氧化鋯。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置在從0°C到200°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置在從0°C到220°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置在從0°C到240°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置在從0°C到260°C的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
全文摘要
一種如電池或電源的電化學(xué)裝置在嚴(yán)苛或極端條件下提供改進(jìn)的性能。用于高溫條件下的這樣一種電化學(xué)裝置可包括至少一個(gè)陰極、鋰基陽(yáng)極、隔膜和離子液體電解質(zhì)。這種裝置還可包括對(duì)于所述裝置的其它組件呈電化學(xué)惰性的集電體和外殼。這種電化學(xué)裝置可在從0℃到180℃、200℃、220℃、240℃和260℃的范圍內(nèi)的溫度下運(yùn)行。
文檔編號(hào)H01M10/0566GK102834961SQ201180018139
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日
發(fā)明者W·張, C·巴瑟, R·費(fèi)雷克, I·庫(kù)珀, A·蒂魯瓦納瑪萊, J·H-F·程, J·R·王, S·瓊斯 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司