[發明專利]具有與游離鋰離子分隔的陰極的鋰空氣蓄電池

有效

• 申請號: 201510429905.5
• 申請日: 2015-07-21
• 公開（公告）號: CN105304976B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 武市憲典;水野史教
• 申請（專利權）人: 豐田自動車工程及制造北美公司
• 主分類號: H01M12/08
• 分類號: H01M12/08;H01M2/14
• 代理公司: 11038 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李英<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明涉及具有與游離鋰離子分隔的陰極的鋰空氣蓄電池。具體地，提供了鋰空氣電化學電池。蓄電池包含：陽極室；陰極室；以及分隔陽極室和陰極室的鋰離子傳導膜。陽極室包含具有鋰或鋰合金作為活性金屬的陽極和鋰離子電解質，而陰極室包含空氣電極和能夠支持氧氣還原的離子液體。陰極室中的鋰離子濃度為這樣的：鋰離子濃度在鋰離子選擇性膜處最高，并且在陰極處最低。

發明背景

本發明涉及具有高容量和再循環效率的鋰空氣蓄電池。

對于小型電子設備并且甚至是混合動力車輛來說，鋰離子技術作為能量來源已經占據市場主要地位。然而，鋰離子蓄電池對于能夠運行電動車輛的未來高容量電源來說不具有成為電源的足夠理論容量。

已經對金屬空氣蓄電池作為改進的一代高容量能量來源進行了調查研究，其具有用以驅動車輛設備持續與目前基于碳氫化合物的內燃機可比的距離的潛力。在金屬空氣蓄電池中，將陽極的金屬氧化，并且所產生的陽離子運動至包含材料(例如碳)的多孔基體的陰極區域，例如氧在該處被還原，并且還原產物作為氧化物或者過氧化物與金屬陽離子組合以形成放電產物。在充電時，理想地使這種過程逆轉。認為金屬空氣蓄電池與金屬離子蓄電池相比具有潛在的有利性質，因為陰極材料、氧可以由環境空氣氣氛獲得，并且蓄電池容量在理論上會受陽極金屬供給限制。因此，氧氣會由蓄電池外部連續地供給，并且蓄電池容量和電壓會取決于氧還原性質和所形成的放電產物的化學屬性。

鋰空氣蓄電池具有提供常規鋰離子蓄電池的5-10倍的能量密度的潛力，并且作為鋰離子蓄電池后續技術已經引發了很大的興趣和開發關注。例如，與陰極產物為Li_0.5CoO₂的鋰離子蓄電池的600Wh/kg相比，形成Li₂O₂作為放電產物的非水鋰空氣蓄電池理論上會提供3038Wh/kg。然而實際上，金屬空氣技術并且特別是目前的非水鋰空氣蓄電池遇到了許多技術問題，其妨礙了理論容量的實現。

Li空氣蓄電池的容量高度依賴于陰極基體儲存Li₂O₂放電產物的容量。Li₂O₂通常不可溶于金屬空氣蓄電池中使用的常規非水溶劑。因此，在陰極基體處形成時Li₂O₂沉淀并填充陰極基體的表面孔隙，從而有效地防止進入基體內部區域的空閑容量。此外，Li₂O₂為隔離體，并且一旦涂覆基體的表面，就會阻止氧還原并且放電終止，即蓄電池容量與理論容量相比嚴重地下降。

如上所述，處理這種問題并制備有效的高容量鋰空氣蓄電池的努力已經受到了很多的關注。

Christensen等人(US 2014/0087273)描述了鋰空氣電化學電池，用負電極、正空氣電極和在空間上設置在兩個電極之間的多孔儲存器(沉淀區域)構造該電池，所述多孔儲存器與正電極流體連通，從而使得在電池放電過程中形成的放電產物位于所述儲存器中并在其中沉淀。Christensen公開了位于負電極和儲存器之間的分隔體并列出了常規的電解質體系。沒有描述離子液體。也沒有描述包含將所述系統分為負電極室和正電極室的固態導體的結構。

Zhang等人(US 2014/0072884)描述了一種鋰空氣蓄電池，其中空氣陰極通過包含交聯聚硅氧烷膜的固體聚合物電解質(SPE)與鋰陽極分隔。所述SPE可以直接在陽極上形成，在置于陽極和空氣陰極之間的陶瓷分隔體上形成或者與第二聚合物一起層壓。Zhang所處理的問題在于提供較不易碎的分隔體，其防止鋰枝晶生長至陰極。

Eicher等人(US 2014/0045078)描述了一種鋰空氣電化學電池，其包含鋰金屬陽極和常規空氣陰極。所述電池通過為離子特性的膜分為兩個室。陰極室的電解質溶劑可以是有機的或含水的，而對于陽極室也需要溶劑。電解質包含二氟磷酸鋰和氟化溶劑。Eicher沒有公開或建議離子液體作為陰極室電解質的組分，并且沒有公開或建議其中陰極處的鋰離子濃度非常低的電解質。