[發明專利]用于金屬?空氣電池的氣體屏蔽電極及使用該氣體屏蔽電極的復合雙功能空氣電極

有效

• 申請號: 201380047816.3
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN104662719B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 蘇倫·馬蒂羅斯延;迪迪爾·吉爾奈特
• 申請（專利權）人: 阿札控股私人有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司11262
• 代理人: 蘇蕾,鄭霞

技術領域

本專利申請通常涉及電力地可再充電的電池及其組件的領域。更特別地，其涉及用于二次金屬-空氣電化學電池的雙功能空氣電極。

背景技術

1.現有的需求

電力地可再充電的電池是電動車輛的策略組件。目標是具有高能量密度、高功率密度，是環境友好、便宜且安全的電池。此刻，鉛酸電池、NiMH和不同類型的Li離子電池對于EV使用是中意的，但其都經受至少一個缺點，主要地在高能量密度的情況下的成本或安全性。

眾所周知，金屬-空氣電池是相對輕重量的電源。其利用來自環境空氣或溶解在水中的氧氣作為電化學反應中的反應物。

金屬-空氣電池包括負的金屬電極(例如，鋅、鋁、鎂、鐵、鋰等)和具有多孔結構的正電極，所述多孔結構具有用于氧還原反應(通常被稱為電池的空氣電極)的催化性質。使用電解質來維持兩個電極之間的高離子電導率。對于堿金屬-空氣電池(即，具有堿性電解質)，空氣電極通常由薄的多孔聚合物材料(例如，聚四氟乙烯)結合的碳層制成。為防止電池短路，分隔器被提供在負電極(陽極)和正電極(陰極)之間。

在本描述中，稱為“空氣電極”的那些包括兩種情況：(i)氣體擴散電極，其消耗來自包含氧氣的氣體(通常空氣)的氧氣，或(ii)氣體擴散電極，其消耗來自包含溶解的氧氣的液體(通常海水)的氧氣；并且我們稱為空氣電極的“電解質側”的那些是被電解質沉浸的側面。

此外，電解質很多時候為堿性的，但其還可以為酸性、中性(鹽電解質)或非質子的(無水的)。

在金屬-空氣電池的充電期間，在堿性介質中，氧氣在空氣電極中被轉化成氫氧根離子。空氣電極中的反應包括氧氣的還原、電子的消耗和氫氧根離子的產生。氫氧根離子通過電解質朝金屬負電極遷移和擴散，其中負電極的金屬的氧化發生，形成氧化物或氫氧化物或離子并且釋放電子。在二次(即，可再充電的)金屬-空氣電池中，充電通過在金屬電極和空氣電極或輔助電極之間施加外部電壓以逆轉電化學反應來誘發。充電使氫氧根離子在空氣電極或輔助電極上轉化成氧氣，釋放電子，然而在金屬電極處，金屬氧化物或金屬離子被重新還原以形成金屬，同時消耗電子。

金屬-空氣電池可以為電力地可再充電的電池提供優良的特性，但迄今為止，沒有將允許金屬-空氣電池以可接受的速率再充電的雙功能空氣電極是可利用的。

2.現有技術的描述

某些人試著解決在放置在金屬電極和空氣電極之間或放置在金屬電極的另一側的輔助電極(例如Ni金屬或Ni氧化物電極)的幫助下再充電的問題。但此解決方案導致降低電池的特性，通常，如果輔助電極在空氣電極的側面上，則輔助電池添加某些重量和體積且增加內部電阻，因此以Wh/kg或Wh/I的總比能量密度比不利用輔助電極的電池更低。此外，對于具有輔助電極的電池，充電和放電方案相對于常規的兩個導線(two-lead)的雙功能電池以某種方式是復雜的，因為具有輔助電極的電池具有三個導線。特別地，如果雙功能空氣電極是可利用的，那么金屬電極可以被放置在2個雙功能空氣電極之間。此常規的電池設置導致增加的比功率和比能量密度、加上相對于三個導線的輔助電極電池設置的易于操作。

經典的雙功能空氣電極的主要問題是：

-具有催化活性的材料(比如炭黑或某些特定催化劑)存在于空氣電極的活性層中，以便在放電期間還原氧氣并且提供用于空氣電極消耗電子的手段；

-但遺憾的是，在放電期間，當空氣電極處于陽極極化下時，所述具有催化活性的材料連同活性層材料自身退化，空氣電極失去其效能的大部分并且變得不再可用。實際上，經典的問題是炭黑的氧化與電解質的著色，這主要是由于當處于陽極極化下時炭黑釋放氫醌到電解質中，這導致其活性的損失。

因此，有對不因為在再充電期間的劣化而過早衰退并且支持大量的放電/再充電循環的雙功能空氣電極和二次金屬-空氣電池的需求。

經典方法

降低空氣電極劣化的經典方法在通過引用并入本文的Lui等人的美國專利第4,341,848號中公開。此專利公開雙功能金屬-空氣電極，其包括碳顆粒、粘合劑/非潤濕劑以及兩種類型的催化劑(一種用于放電期間的氧還原并且一種用于再充電期間的氧釋放)。選擇具有高的氧釋放電位的氧還原催化劑并且選擇具有低的氧釋放電位的氧釋放催化劑。因此，在再充電期間，氧釋放催化劑在較低電壓下起作用，以產生氧氣并且使電池再充電并且排除氧還原催化劑以免參與再充電反應。

然而，即使再充電在較低電壓下進行，空氣電極仍緩慢地劣化。此外，達不到其他催化劑的分解電位的此方法不允許高的充電率/放電率。