[發明專利]金屬陽極的簡并摻雜

在審

• 申請號: 201380062319.0
• 申請日: 2013-10-02
• 公開（公告）號: CN104823309A
• 公開（公告）日: 2015-08-05
• 發明（設計）人: C·A·弗里森;R·A·澤勒;P·B·約翰森;E·E·斯威策
• 申請（專利權）人: 流體公司
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M8/08
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 李輝

相關申請的交叉引用

本申請要求于2012年10月18日提交的美國臨時申請序列號：61/715,568的權益，其內容整體并入于此。

政府參與聲明

本說明書中引用的所有出版物、專利和專利申請通過引用的方式整體并入于此。這項發明是根據由能源部授予的合同號DE-AR-00000038在美國政府的支持下進行的。政府具有發明的某些權利。

技術領域

本發明的實施例涉及電化學電源中的金屬陽極的簡并摻雜氧化產物。實施例還涉及將摻雜物并入到電化學陽極中的方法。

背景技術

在放電電池中，化學勢能轉換成有用的電能通過以下方式發生：從負極或充當陽極的燃料電極通過外電路到充當陰極的正極的電子流動。同時，離子流動通過離子導電介質。在可再充電電池(其還被稱為二次電池)中，化學反應可以通過將電池連接到外部電源供應而被逆轉，其中電子從陰極流動到陽極。在很大程度上，在二次電池中包含的能量的量和它可以再充電的次數二者決定它的經濟價值。

金屬燃料負極可以與任何數目的正極(一個示例是空氣電極)配對。金屬-空氣電池是眾所周知的，并且包括金屬燃料電極和空氣電極。在放電期間，金屬燃料在金屬燃料電極處被氧化，并且氧在空氣電極處被還原。在可再充電或二次類型的金屬-空氣電池中，金屬燃料可以在燃料電極上被還原，并且可以在空氣電極或單獨充電電極處通過氧化逐漸形成氧。金屬-空氣電化學電池能夠結合電池的超高陽極容量與燃料電池的吸氣式陰極，以便實現與現代能量需求相關的大能量密度。

在閑置電池狀態期間，鈍化層可以充當保護膜以使不利的腐蝕最小化，但同樣地，它會充當期望腐蝕(即，在電池放電期間)的障礙。在放電期間，金屬燃料可以被氧化以形成鈍化膜，鈍化膜的成分依賴于電池化學。例如，在鋅-空氣電池中形成氧化鋅，在電池中，該層可以使燃料電極的金屬鈍化，這阻礙在這一電極處發生的基本電化學反應。如果恒定陽極電流應用于燃料電極，則維持電流所需要的過電勢會隨時間增加，從而汲取越來越多的寄生功率量。

在電化學電池中摻雜的氧化物已被用作導電添加劑，以增加在負極和正極二者處的導電率。例如，2000年6月27日提交的美國專利6,524,750教導了各種摻雜氧化物添加劑，具體地與金屬燃料陽極不同金屬的高導電率氧化物。在相似的示例中，2001年3月22日提交的美國專利6,818,347描述了導電n型摻雜氧化物添加劑的并入，具體地氧化鈮摻雜的TiO₂作為添加劑用于Zn/MnO₂電池，其中Zn是金屬燃料。

已經觀察到通過金屬燃料電極上的半導體氧化物層來抑制枝狀生長繼續，例如Yang等人的Effect?of?La?Addition?to?the?Electrochemical?Properties?of?Secondary?Zinc?ElectrodesJournal?of?the?Electrochemical?Society,151(2004)pp.A389-A393描述了通過制備Zn-La合金電極[Zn_(1-x)La_x,x＝0.2-1]將La添加到鋅電極。觀察到富集的氧化鑭層[La₂O₃/La(OH)₃]形成，這阻止鋅電極氧化產物的溶解并且抑制枝狀生長繼續循環。這些益處據稱是由于La容易形成不能還原的氧化物層。參考文獻陳述添加La對Zn電極的陽極行為沒有影響：“La?addition?would?have?little?influence?on?the?discharge?behavior?of?the?zinc?electrode?in?practical?cells.”現有技術的焦點導向優化抑制枝狀晶的氧化物層而不考慮金屬燃料，或換句話說，與燃料電極的金屬不同的金屬的氧化物。

其他的發明集中在增加半導電或絕緣的“半”金屬燃料的導電率。摻雜硅在電化學電池中作為活性材料已被提出，例如在1997年7月18日提交的美國專利6,042,969和2010年2月11日提交的美國專利申請公開號US?2011/0318657?Al中。這一現有技術教導，摻雜導電性差的金屬燃料自身，該金屬是硅。

發明內容