[發(fā)明專(zhuān)利]具有包括固體金屬碳酸鹽的陰極的金屬-空氣電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480045812.6
• 申請(qǐng)日: 2014-08-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105493314A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 博洛菲薩·基思·斯科特
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 泰恩河畔紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M2/40
• 分類(lèi)號(hào): H01M2/40;H01M4/86;H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 北京安信方達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11262
• 代理人: 楊洲;鄭霞

本發(fā)明涉及金屬-空氣電池和制造金屬-空氣電池的方法。更特別地， 本發(fā)明所涉及的電池是金屬-(O₂/CO₂)電池。本發(fā)明還涉及陰極和制造所 述陰極的方法。

背景

需要很多的努力以找到最小化對(duì)化石燃料的使用的方法，以便解決長(zhǎng) 期的環(huán)境和能量供給關(guān)注。一個(gè)可持續(xù)的選項(xiàng)是改成清潔的且可再生的能 源，例如太陽(yáng)、風(fēng)和地?zé)岚l(fā)電。成功使用這些技術(shù)的手段中的一個(gè)在于開(kāi) 發(fā)可靠的大規(guī)模的高電能儲(chǔ)存設(shè)備。

Li-空氣電池的潛在地非常高的能量密度已經(jīng)刺激了近期在開(kāi)發(fā)其用 于諸如無(wú)人飛行器和移動(dòng)電源之類(lèi)的應(yīng)用的很大的興趣。

在20世紀(jì)90年代中期，Abraham和合作者證實(shí)了第一個(gè)無(wú)水的Li- 空氣電池，其采用Li負(fù)極(陽(yáng)極)、多孔碳正極(陰極)和凝膠聚合物、 Li離子導(dǎo)電的電解質(zhì)膜(Abraham,K.M.,Jiang,Z,J.Electrochem.Soc.143, 1,1996)。在放電時(shí)，來(lái)自空氣的O₂進(jìn)入多孔陰極并且被還原成O₂^2-，此 時(shí)，其與Li⁺離子結(jié)合以在孔隙中形成固體氧化鋰。充電使此過(guò)程反轉(zhuǎn)。

Li-空氣電池的儲(chǔ)能容量和功率容量強(qiáng)烈地被空氣電極的性質(zhì)決定，該 性質(zhì)貢獻(xiàn)Li-空氣電池的大部分的電壓降。目前，在大部分的Li-空氣電池 中的空氣電極由多孔碳材料組成。在Li-空氣電池中，所有的Li-O₂反應(yīng)都 發(fā)生在碳基底上，因此，通過(guò)使用合適的碳來(lái)首先建立用于Li-空氣電池的 理想的主體結(jié)構(gòu)(hoststructure)是關(guān)鍵性的。通常，高表面積碳對(duì)于構(gòu)建 空氣電極是優(yōu)選的，因?yàn)檩^大的表面積意味著用于電化學(xué)反應(yīng)的更多活性 位點(diǎn)并且還可以加載更多催化劑。

當(dāng)前的Li-空氣(和Na-空氣)單元以充電狀態(tài)被制造并且，在使用期 間，不溶性氧化鋰在陰極孔隙空間中聚集，逐漸填滿電池陰極。這通過(guò)降 低氧氣從單元的空氣側(cè)的有效擴(kuò)散速率而最終限制了電池性能。

使用由不同于鋰的堿金屬和堿土金屬(例如Na、Ca、K等)制成的 陽(yáng)極的無(wú)水的金屬-空氣電池還比目前技術(shù)水平的Li-離子電池提供了多達(dá) 10倍的能量密度的巨大增益。金屬-空氣電池是獨(dú)特的電源，因?yàn)殛帢O活 性材料(氧氣)不必儲(chǔ)存在電池中而是可以從大氣中取得，這降低了此類(lèi) 電池的重量并且增加了電荷密度。此外，堿和堿土元素比鋰豐富得多，并 因此將提供更可持續(xù)的能量?jī)?chǔ)存解決方案，持續(xù)甚至超過(guò)長(zhǎng)期的時(shí)間。因 此，例如鈉單元代表對(duì)鋰單元有吸引力的可選方案，這歸因于鈉的低成本 和隨時(shí)可用性。

在陽(yáng)極處的反應(yīng)：

Na(s)→Na⁺+e^-

在陰極處的反應(yīng)：

在二氧化碳的存在下，在陰極處可能發(fā)生另外的反應(yīng)：

Na-O₂電池的一個(gè)實(shí)例已經(jīng)被證實(shí)使用有機(jī)碳酸酯溶劑(Sun,Q.；Yang, Y.；Fu,Z.W.；ElectrochemistryCommunications,16,22–25,2012)。放電電勢(shì) 接近理論值并且容量超過(guò)3000mAh/g(基于碳電極)。在放電期間溶劑的 分解被鑒定(通過(guò)FTIR)，導(dǎo)致Na₂CO₃的形成。充電時(shí)，Na₂CO₃被移除， 導(dǎo)致Na⁺離子和CO₂形成，表明基于碳酸鈉的電池的可逆性。原型K-O₂電池也已經(jīng)被制備(Ren,X.；Wu,Y.；J.Am.Chem.Soc；135(8)2923-2926, 2013)。