[發明專利]用于金屬?空氣電池的空氣自呼吸陰極

有效

• 申請號: 201380050179.5
• 申請日: 2013-08-01
• 公開（公告）號: CN104662721B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: S·C·鮑爾;R·J·波特;J·D·B·沙曼
• 申請（專利權）人: 莊信萬豐股份有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;C01D13/00;C01F17/00;C25B11/00;H01M4/86
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 柳冀

本發明涉及陰極和特別涉及金屬-空氣電池中使用的空氣自呼吸陰極。

儲能，尤其對于運輸應用，仍然是21世紀主要技術挑戰之一。鋰離子電池技術在給便攜設備供電中扮演了重要角色。然而，即使是用于便攜應用的最先進鋰離子電池達到了它們實際容量的限制且不滿足運輸的要求。雖然許多不同的電池系統存在，但是它們的較低理論能量密度使它們對于電動汽車(EV)市場吸引力較小且它們都具有大的技術挑戰。金屬-空氣電池，并且特別是鋰-空氣電池，呈現獲得對于實際的可充電電池的可能最高能量密度的前景。如果單獨考慮鋰的原子質量，可以計算出約13,000Wh/kg的理論比能量，這與汽油的理論能量密度(13,200Wh/kg)相近。包括氧氣、電解質/液(electrolyte)和其他電池組件的重量的更現實的計算仍然表明相比于目前和近期的鋰離子電池技術，對于鋰-空氣電池系統可達到比容量的3-5倍改進。

鋰-空氣電池基本上包括含鋰陽極、電解質/液和空氣自呼吸陰極。在陽極氧化鋰形成鋰離子和電子。電子流經外部電路并且鋰離子遷移穿過電解質/液至陰極，其中還原氧氣以形成鋰氧化物，例如Li₂O₂。通過施加外電勢對電池充電，鋰金屬覆蓋在陽極上并且在陰極生成氧氣。鋰-空氣電池取決于使用的電解質/液的類型：非質子的、水性的、混合非質子/水性的和固態，可以歸類為四種不同的結構。

非質子電池設計使用能溶解鋰離子鹽(例如LiPF₆、LiAsF₆、LiN(SO₂CF₃)₂和LiSO₃CF₃)的任意液體有機電解液，但通常由碳酸酯、醚和酯組成。使用非質子電解液的優點是陽極和電解質/液之間的界面是自發形成的，這保護鋰金屬免于與電解質/液進一步反應。通常使用液體電解液填充的多孔隔板阻止陽極和陰極之間的物理接觸和短路。還可以使用固體聚合物電解質，其中鋰鹽分散在能溶解陽離子的聚合物基質中。該聚合物還可以預形成然后用含鋰液體電解液溶脹以改進導電性或與液體電解液或其他增塑劑結合以形成凝膠聚合物電解質。如果聚合物足夠穩健(robust)，那么不需要多孔隔板，但是可以將強化材料(例如氟聚合物，例如US 6,254,978、EP 0814897和US 6,110,330中描述的PTFE或聚偏氟乙烯(PVDF)，或替代材料，例如PEEK或聚乙烯，的微孔網或纖維)摻入到聚合物/凝膠中。還可以將這些不同的非質子電解液摻入到電極結構中以改進離子導電性。與使用非質子電解液相關的問題是在陰極生成的鋰氧化物通常在非質子電解液中不溶，導致沿著陰極/電解液界面形成(build up)鋰氧化物。這可使得非質子電池中的陰極易于堵塞和體積膨脹，這隨時間降低了導電性和降低電池性能。

水性電池設計使用為溶解在水中的鋰鹽的組合的電解液，例如氫氧化鋰水溶液(堿)。水性電解液還可以是酸性的。因為在陰極形成的鋰氧化物是水溶性的，所以避免了陰極堵塞的問題，這允許水性鋰-空氣電池隨時間保持它們的性能。水性電池比使用非質子電解液的電池還具有更高的實際放電電位。然而主要問題是鋰與水激烈反應且因此在鋰金屬和水性電解液之間需要固體電解質界面。要求固體電解質界面是鋰離子導電的，但是目前使用的陶瓷和玻璃僅僅顯示低導電性。

混合電池設計使用與陽極相鄰的非質子電解液和與陰極相鄰的水性電解液，通過鋰離子導電膜分隔兩種不同的電解液。

固態設計會顯得有吸引力，因為它克服了當使用非質子或水性電解液時在陽極和陰極的問題。通過固體材料分隔陽極和陰極。該材料包括玻璃陶瓷，例如磷酸鈦鋁鋰(LATP)、磷酸鍺鋁鋰(LAGP)和二氧化硅摻雜的變體(version)，具有石榴石型結構的陶瓷氧化物，例如鋰-鑭-M氧化物(M＝Zr、Nb、Ta等)，鈣鈦礦，例如鈦酸鑭鋰，和其他框架氧化物，包括NASICON型結構(例如Na₃Zr₂PSi₂O₁₂)。固態設計的主要缺點是玻璃-陶瓷電解質的低導電性。

盡管有以上概述的缺點，至今使用非質子電解液是優選的，因為它目前提供了顯著更高的電池容量。