[發明專利]電池和運行電池的方法

有效

• 申請號: 201080056048.4
• 申請日: 2010-12-07
• 公開（公告）號: CN102652379A
• 公開（公告）日: 2012-08-29
• 發明（設計）人: H.蘭德斯;A.扎姆皮里
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06;H01M12/08;H01M4/134;H01M4/86
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 賈靜環

本發明涉及根據權利要求1的主題的電池(Batterie)以及根據權利要求12的運行電池的方法。

可再充電電池，例如基于鋰電子的可再充電電池，在移動設備領域具有越來越重要的意義。一個特別重要的方面是可儲存的能量密度不斷增加。由于不斷增加的能量密度，內部短路的風險和由此導致的自發的能量釋放也增加。最糟糕的情況是電池自發的能量釋放將導致火災，進而對環境造成很大的破壞。

本發明的任務在于提供能量密度盡可能高的電池，該電池具有高的過程安全性。

該任務的解決方案是根據權利要求1的電池以及具有權利要求12特征的運行電池的方法。

權利要求1包括具有第一電極和第二電極的電池，其中所述第一電極在電池的放電過程中作為陰極，所述第二電極在放電過程中作為陽極，固體電解質設置在該第一電極和第二電極之間，其中工藝氣體供應至陰極側。本發明的特征在于，相對第二電極開放的以及相對環境封閉的貯存器(Reservoir)設置在第二電極的表面上，該貯存器一方面包含透氣性可氧化材料(oxidierbares?Material)還包含在電池的運行溫度呈氣態的氧化還原對(Redoxpaar)。這里所使用的表述“相對環境封閉”意為通常以空氣形式從大氣中供應工藝氣體的相反面。第二電極因此特別地與自由大氣隔絕。

陽極理解為以下電極，在該電極上發生氧化反應。電子從化學反應中被接收并且通過電連接給出。電化學反應總是在電極、導離子固體電解質或電解液之間的相界面處發生。因此在電解時陽極是正電極。(電解消耗電能)。

在產生電能的電化學元件如本文所述的電池中，在陽極處發生氧化過程，即來自電解質的陰離子(帶負電的離子)將放電，中性原子將成為陽離子。當陽極和陰極連接成電路時，電子通過該外部連接流動至陰極，在該外部電路中陽極用作負極(Minuspol)(如下文所述該作用在電池或燃料電池中出現)。

在可再充電電池(如在本文情況中出現的)中，同一電極可以交替地用作陽極或陰極，視電池充電或放電的情況而定。每個電極保持它的電勢符號，從而正電極在電池放電時用作陰極，而在電池充電時用作陽極。負電極在放電時用作陽極以及在充電時用作陰極。

因此空氣側的電極是正電極(positive?Elektrode)以及在可氧化材料的一側上的電極是負電極(negative?Elektrode)。

在下文中，除非另有說明，否則說明的是電池的放電狀態，術語第一電極等同于術語陰極(Kathode)以及術語第二電極等同于術語陽極(Anode)。

在本發明一優選的實施方案中，含可氧化材料的貯存器設置在由基體形成的腔室中，其中該基體裝配在陽極上。可氧化材料優選呈多孔性形式。由于這些材料在電池放電期間吸收氧而增加了其體積，并且因此可以從傳導氧離子的固體結構(例如電解質)中分離，所以氧優選通過氣態氧化還原對的擴散供應至可氧化材料。此時，氧化還原對通過吸收電解質中的氧在陽極上而再生。可氧化材料優選比陽極中的材料更不貴重(unedler)，從而防止后者的氧化，而氧化會導致陽極傳導率的損失及其機械損壞。

電池的輸出功率取決于陰極側供應的工藝氣體(Prozessgas)，當這種工藝氣體的供應斷開時，所有的放電反應即刻停止，特別是由于當空氣用作工藝氣體時，在陰極側的氣體供料管道中形成了氮氣墊，通過長擴散路徑例如在電解質破裂的情況中該氣墊也保護了可氧化材料不被氧進一步攻擊。與常規的反應物皆以儲存形式存在的可再充電電池相比，本發明的電池因此具有非常高的能量密度，顯著更高的安全性兩者。

在本發明的一優選實施方案中，陽極材料同時具有電導性和離子傳導性，兩種類型的傳導性可以在單一相中存在或在多個相中存在。在本文中，導電材料是這樣一種材料，其類似于金屬通過電子流動顯示導電性。另一方面，電解質傳導材料通過單純的離子輸送顯示傳導性。

也已經發現了對于陽極材料有利的是其呈金屬陶瓷復合材料形式，特別是所謂的金屬陶瓷。通過使用金屬陶瓷復合材料使得導電金屬可以與電解質材料例如摻雜的金屬氧化物組合使用。單相體系的優勢在于總體積可用于兩種傳導類型，從而減小了電阻。

另外，還已經發現了對于陽極的導電材料有利的是其具有比貯存器或基體腔室中的可氧化材料更高的電負性(或可以僅在更高的氧分壓時被氧化)。基體腔室中的可氧化材料用于化學儲存工藝氣體，應當被以氣態輸送的氧化還原對氧化。如該材料具有比陽極傳導材料更低的電負性，則所述過程在化學上較易進行，從而使得該陽極材料無需(nicht)進行氧化還原反應。在本上下文中，還有利的是，腔室的待氧化的材料是金屬。