鋰離子電池已經(jīng)已知了許多年并且具有三個主要部件：正極和負(fù)極(分別是陽極和陰極)、以及電解質(zhì)。負(fù)極通常由碳(石墨)制成，正極通常由含鋰的氧化物(例如，鋰鈷氧化物或鋰錳二氧化物)制成，并且電解質(zhì)通常是含有鋰離子的絡(luò)合物(例如，六氟磷酸鋰、高氯酸鋰、四氟硼酸鋰)的有機碳酸鹽的混合物。鋰離子電池是基于電化學(xué)反應(yīng)，其中鋰離子在電池電極之間移動并且被并入電池電極中。因此，當(dāng)鋰離子電池放電時，Li+離子從負(fù)極移動并且進(jìn)入正極。當(dāng)電池充電時，發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)所產(chǎn)生的電子流過閉合電路時，進(jìn)行工作。
因此，進(jìn)行下面的化學(xué)反應(yīng)(x代表被轉(zhuǎn)移的Li+的摩爾數(shù)，并且M是過渡金屬，例如Co或Mn)：
從左至右的反應(yīng)代表電池充電，而從右至左代表放電。因此，過渡金屬在電池的充電期間被氧化(例如，從Co3+至Co4+)，并且在放電期間被還原。
本發(fā)明尋求提供一種改進(jìn)的電池，該改進(jìn)的電池根據(jù)電極中的金屬原子的氧化還原反應(yīng)來儲存電荷和使電荷放電。
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電池，包括電極，所述電極由相同的金屬氧化物和包含可以嵌入至所述金屬氧化物中的陽離子源的電解質(zhì)溶液形成，其中所述電池可以通過使所述電極中的一個連接至外部電源以通過吸收來自所述電解質(zhì)的嵌入陽離子使形成所述電極的所述金屬氧化物中的金屬原子中的至少某些從較高氧化態(tài)還原至較低氧化態(tài)并且從而在所述電極之間產(chǎn)生電勢差來儲存電荷，所述電荷可以通過電連接所述電極來放電。
本發(fā)明的電池因此具有與濃差電池的相似性。濃差電池是一種包括兩個等效的半電池的原電解池，這兩個等效的半電池具有相同的電極和電解質(zhì)，但是電解質(zhì)溶液濃度不同。電池用于稀釋較濃的溶液，并且使較稀的溶液濃縮，當(dāng)電池達(dá)到平衡時，產(chǎn)生電壓。這通過將電子從具有較低濃度的電池轉(zhuǎn)移至具有較高濃度的電池來實現(xiàn)。
濃差電池的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為零，因為電極是相同的。然而，在兩個半電池之間的電勢差是存在的，這是因為電解質(zhì)溶液濃度的濃度差。
本發(fā)明的電池是基于濃差電池的原理，但是其中電極之間的電勢差通過改變(固態(tài))電極自身的一種的氧化態(tài)來產(chǎn)生，而不是歸因于電解質(zhì)溶液的濃度差。
最初，本發(fā)明的電池的電極呈相同的氧化態(tài)并且電池電勢為零伏特。通過將電極中的一個連接至外接電源來改變電池而經(jīng)由吸收來自電解質(zhì)的嵌入陽離子來誘導(dǎo)該電極中的金屬原子的氧化態(tài)的改變，從而在電極之間產(chǎn)生電勢差，使得電流可以通過橫越負(fù)載電連接電極而在電極之間流動。
本發(fā)明的電池具有的優(yōu)勢是：電極以相同的方式由相同的材料制造并且僅在對電池充電時有差異，可以使用簡單的酸電解質(zhì)，并且不需要易碎的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。
本發(fā)明的電池包括由相同的金屬氧化物形成的電極，其中金屬可以以多種氧化態(tài)存在。因此，合適的材料是多價過渡金屬氧化物體系，該多價過渡金屬氧化物體系可以同時顯示多于一種氧化態(tài)并且嵌入嵌入陽離子。其氧化物因此可以適合于在本發(fā)明中使用的過渡金屬包括，例如，鎢、釩、鈷和鉬。
用于形成電極的優(yōu)選的金屬氧化物是三氧化鎢(WO3)。鎢展現(xiàn)出從+6至-2的氧化態(tài)的范圍。在WO3中，鎢呈其最高氧化態(tài)：+6(WVI)。
三氧化鎢形成鎢青銅的基礎(chǔ)。這些是通式M1nWO3的非化學(xué)計量物質(zhì)，其中0<n≤1并且M是最常見的鈉(Na+)。在鎢青銅中，鎢以+5和+6氧化態(tài)的混合物存在，使得式M1nWO3的化合物包含(1-n)個鎢(VI)和n個鎢(V)原子(即，M1nWvnWVI(1-n)O3)。
在本發(fā)明的電池的優(yōu)選實施方案中，電極可以通過當(dāng)連接至外部電源時吸收來自電解質(zhì)的嵌入陽離子來形成鎢青銅類型的材料，將WO3中的鎢原子中的某些的氧化態(tài)從+6還原至+5。因此：
其中X是嵌入陽離子，并且n是被并入氧化鎢中的嵌入陽離子的摩爾數(shù)。
當(dāng)用于形成電極的優(yōu)選的金屬氧化物是WO3時，可以使用其他形成青銅的材料和具有相同效果的類似材料。例如，鉬形成具有通式AxMoYOz,的青銅，其中A可以是堿金屬或氫(HxMoyO3)，并且釩與堿金屬形成通式AxV2O5的青銅，其中A是鈉(Na+)。
電極被優(yōu)選地制造以使它們的表面積最大化，同時保持良好的導(dǎo)電性。本發(fā)明的電池的效率取決于用于電解質(zhì)和電極之間的陽離子轉(zhuǎn)移的電極的可用表面積。
例如，WO3晶須可以通過在1000-1200℃下使氬/H2O蒸氣在鎢箔上經(jīng)過來形成。另一種路線涉及在氬氣氣氛中在1000-1200℃下加熱鎢金屬和二氧化硅的混合物。呈“松樹”陣列的晶體W18O49的中空纖維的產(chǎn)生可以通過在氧氣/氬氣氣氛中氧化WS2來實現(xiàn)。中空纖維具有約3-10μm的外徑并且長度為約0.1-2mm。高表面積的WO3納米線網(wǎng)絡(luò)可以通過在氧氣的存在下在1400-1450℃下使鎢粉末熱蒸發(fā)來制備。類似方法將適用于其他青銅體系。
本發(fā)明的電池包括電解質(zhì)溶液，該電解質(zhì)溶液包含可以嵌入至金屬氧化物中的陽離子源。嵌入陽離子優(yōu)選地是質(zhì)子(H+)，但是可以是其他合適的陽離子，例如適合于在鋰離子電池中使用的鋰(Li+)電解質(zhì)。
質(zhì)子作為嵌入陽離子是優(yōu)選的，因為這允許電解質(zhì)是酸，優(yōu)選地是容易解離的(強)酸。優(yōu)選的酸是硫酸，但是可以使用其他強酸，例如鹽酸、硝酸和有機酸例如羧酸和磺酸。作為鋰離子源，可以使用在有機溶劑例如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯中的鋰鹽，例如LiPF6、LiBF4或LiC1O4。
在操作中，為了對電池充電，將電極懸浮于電解質(zhì)中，電極中的一個被極化至零電勢，并且另一個電極被連接至外部電源并且被還原。因此，在其中電極由WO3形成的優(yōu)選的實施方案中，鎢青銅類型的材料被形成為具有式HnWvnWVI(1-n)O3，其中n的值通過吸收來自電解質(zhì)的質(zhì)子來增大。這增大了電極之間的電勢，并且橫越負(fù)載使電極短路循環(huán)能夠使電流流動，其中功率相當(dāng)于瞬時電池電壓和電流。
本發(fā)明的電池的容量取決于吸收至金屬氧化物中的陽離子的量。所儲存的電荷可以在循環(huán)伏安圖中被圖示。例如，Jayaraman,S.等人，J.Phys.Chem.B 2005,109,22958-66報告了，對于在0.5M H2SO4中的純的WO3而言，電化學(xué)電流在電勢范圍0-0.55V(相對于RHE)中被觀察到并且在零電流的情況下高于0.55V時無特征，電流對應(yīng)于質(zhì)子至WO3中的嵌入/脫嵌以形成鎢青銅的過程。曲線下方的區(qū)域代表所儲存的電荷的量。