[發明專利]具有空氣電極保護裝置的金屬-空氣蓄電池

在審

• 申請號: 201610032609.6
• 申請日: 2012-05-15
• 公開（公告）號: CN105514517A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: G·圖桑;P·斯特文斯;B·圖桑
• 申請（專利權）人: 法國電氣公司
• 主分類號: H01M10/48
• 分類號: H01M10/48;H01M2/34;H01M10/44;H01M10/42;H01M12/08
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 孟凡宏;謝燕軍

本發明涉及可再充電蓄電池，其包括一個或多個金屬?空氣電池，每個電池包括第一端子(1)和第二端子(2)、連接到所述第一端子(1)的金屬?空氣電池的金屬負電極(3)、析氧的第一正電極(4)、作為包含至少一種氧還原催化劑的多孔空氣電極的第二正電極(5)、電解液、適于連續地將端子(2)和端子(1)之間的測量電壓與設定值進行比較并在所述測量電壓變成小于所述設定值時向切換裝置發送切換信號的控制裝置(6)、適于接收來自所述控制裝置(6)的切換信號并將所述空氣電極(5)與所述第二端子(2)連接和斷開的切換裝置(7)。本發明還涉及使用這種蓄電池的方法。

本申請是申請日為2012年5月15日、申請號為201280024018.4、發明名稱為“具有空氣電極保護裝置的金屬-空氣蓄電池”的發明專利申請的分案申請。

發明領域

本發明涉及可再充電金屬-空氣蓄電池，其包括空氣電極、析氧電極和在蓄電池的充電和放電階段期間保護所述空氣電極的自動裝置。本發明還涉及使用這種蓄電池進行存儲和釋放電能的方法。

背景技術

金屬-空氣電池使用基于金屬的負電極，所述金屬為例如鋅、鐵或鋰，所述負電極耦接到空氣電極。在這種電池放電時，分子氧在正電極被還原，而所述金屬在負電極被氧化：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

M→Mⁿ⁺+ne^-

兩個電極常常與堿性的水性電解液接觸。

鋅-空氣電池被出售用于例如聽覺假體中。

幾十年來已經進行了大量的研究以開發和優化空氣電極，這使得能夠生產金屬-空氣電化學發生器，已知所述金屬-空氣電化學發生器能夠達到幾百Wh/kg的高能量密度。

空氣電極具有如下優點：能夠使用來自空氣的氧作為電化學還原的氧化劑，空氣可以隨時隨地無限量地使用。然而，因為空氣中氧的密度低(0.03mol/L)，需要大的反應面積。空氣電極的多孔固體結構提供了這種大的反應面積。空氣電極為多孔固體結構，其與液體電解液接觸，所述電解液一般為堿性的水溶液。空氣電極與液體電解液之間的界面為所謂的“三相接觸”界面，其中電極的活性物質、氣態氧化劑和液體電解液同時存在。

對于可以用于鋅-空氣蓄電池中的各種類型的空氣電極的描述，讀者可以參考例如V.Neburchilov等人的文章“A review on air cathodes for zinc-air fuel cells”,Journal of Power Sources 195(2010),第1271–1291頁。

然而，空氣電極具有相當大的缺點，該缺點為在使用它們時在對蓄電池進行再充電時他們的大的脆性。具體來說，空氣電極具有多孔結構并以體積的電極運行，在其中電化學反應發生在電極的全部體積中的氣態氧化劑、液體電解液和固體活性物質(三相接觸)之間的界面。在充電階段，在空氣電極的結構內形成氣態分子氧。這種氣態氧通過破壞碳顆粒和所用的粘合聚合物之間的結合快速地導致空氣電極的多孔結構的機械破壞。

此外，在高電位下也加速了碳在氧的存在下通過碳氧化的腐蝕(參見電Kim J.、Lee J.、Tak Y.的文章“Relationship between carbon corrosion and positiveelectrode potential in a proton-exchange membrane fuel-cell during start/stopoperation”(2009),Journal of Power Sources,192(2),第674–678頁，以及在Handbookof Battery Materials(J.O.Besenhard編輯),Wiley-VCH Verlag GmbH,Weinheim,Germany)中的Kinishita,K.的“Carbons”章節(2007)。