[發(fā)明專利]非水鋰-空氣電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710139555.8
• 申請(qǐng)日: 2017-03-10
• 公開（公告）號(hào): CN107181023B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武市憲典
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 豐田自動(dòng)車工程及制造北美公司
• 主分類號(hào): H01M12/06
• 分類號(hào): H01M12/06;H01M4/86
• 代理公司: 中國(guó)貿(mào)促會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 11038
• 代理人: 李躍龍

本發(fā)明涉及一種非水鋰?空氣電池。還提供一種鋰?空氣電化學(xué)單元。該電池包含:陽(yáng)極隔間；陰極隔間；分隔陽(yáng)極隔間和陰極隔間的鋰離子導(dǎo)電膜。陽(yáng)極隔間包含具有鋰，鋰合金或能吸收和釋放鋰的多孔材料的陽(yáng)極和鋰離子電解質(zhì)，同時(shí)陰極隔間包含空氣電極、能夠支持氧還原的離子液體和溶解濃度的鉀超氧化物。在陰極隔間中鋰離子濃度相比鉀離子的濃度低。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)施方案針對(duì)具有高容量和循環(huán)效率的鋰空氣電池。

背景技術(shù)

鋰離子技術(shù)主占著用于小型電子設(shè)備，甚至混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能源市場(chǎng)。然而，鋰離子電池具有作為用于能夠運(yùn)行電動(dòng)汽車的未來(lái)大容量一代能源的電源的不足理論容量。

已經(jīng)在調(diào)查金屬-空氣電池作為對(duì)機(jī)動(dòng)車輛提供動(dòng)力持續(xù)可與目前基于烴的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)相比的潛力的一代先進(jìn)的高容量能源。在金屬-空氣電池中，陽(yáng)極的金屬被氧化，產(chǎn)生的陽(yáng)離子行進(jìn)到包含多孔材料如碳的基質(zhì)的陰極區(qū)，例如氧在此得到還原，且氧化物或過(guò)氧化物形式的還原產(chǎn)物與金屬陽(yáng)離子結(jié)合以形成放電產(chǎn)物。理想地，在充電時(shí)該過(guò)程逆轉(zhuǎn)。認(rèn)識(shí)到金屬-空氣電池具有優(yōu)于金屬離子電池的潛在優(yōu)勢(shì)性能，因?yàn)榭梢詮沫h(huán)境空氣大氣獲得陰極材料，氧，且電池的容量在理論上將由陽(yáng)極金屬的供應(yīng)限制。因此，會(huì)從電池外部不斷提供氧氣，且電池容量和電壓將依賴于氧還原性質(zhì)和形成的放電產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。

與常規(guī)鋰離子電池相比，鋰空氣電池具有供應(yīng)5-10倍的能量密度的潛力，且作為后鋰離子電池技術(shù)已吸引了很多的興趣和發(fā)展關(guān)注。例如，理論上形成Li₂O₂作為放電產(chǎn)物的非水鋰空氣電池將提供3038Wh/kg，與具有Li_0.5CoO₂陰極產(chǎn)物的鋰離子電池的600Wh/kg形成對(duì)比。然而，在實(shí)踐中，金屬空氣技術(shù)且特別是當(dāng)前的非水鋰空氣電池遭受抑制理論容量獲得的許多技術(shù)問題。

鋰空氣電池的容量高度依賴于陰極基質(zhì)存儲(chǔ)Li₂O₂放電產(chǎn)物的容量。Li₂O₂一般不溶于用于金屬空氣電池的常規(guī)非水溶劑。因此，在陰極基質(zhì)處形成時(shí)，Li₂O₂沉淀和填充陰極基質(zhì)的表面孔隙度，有效地阻止了到達(dá)基質(zhì)的內(nèi)部區(qū)域的空缺容量。此外，Li₂O₂是絕緣體，一旦涂覆基質(zhì)的表面，就抑制氧還原且放電終止，即，相比理論容量，電池的容量嚴(yán)重降低。

常規(guī)用來(lái)提高鋰-空氣電池的容量的一個(gè)方法是使用具有高表面積的電子導(dǎo)電支持體，例如炭黑作為陰極材料。然而，盡管增加了表面積，陰極表面變得由絕緣Li₂O₂產(chǎn)物的積累所覆蓋，導(dǎo)致放電反應(yīng)的結(jié)束。因此，這并不是改善容量的最終方案。

在2015年7月22日提交的美國(guó)申請(qǐng)14/337，432中，申請(qǐng)人描述了通過(guò)如下方式對(duì)于提高容量的問題的不同方案：由鋰離子導(dǎo)電陶瓷膜將電池分為陽(yáng)極隔間和陰極隔間，和以離陶瓷膜最小的距離在空間安排空氣陰極以減少陰極表面處的鋰離子濃度。

盡管有上述和技術(shù)界的重要持續(xù)努力，但仍然存在開發(fā)和生產(chǎn)有效、安全、成本效益、高容量的鋰空氣電池的需要，其特別對(duì)于驅(qū)動(dòng)車輛到至少等于或與當(dāng)前烴燃料系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的距離有用。

發(fā)明概述

這個(gè)和其他目的通過(guò)本申請(qǐng)的公開來(lái)解決，其實(shí)施方案包括鋰空氣電池，該鋰空氣電池包括:

包含陽(yáng)極的陽(yáng)極隔間，該陽(yáng)極包含鋰、鋰合金或能夠吸收和釋放鋰的多孔材料；

包含空氣陰極、O₂源、鋰鹽和離子液體的陰極隔間；和

分隔陽(yáng)極隔間和陰極隔間的鋰離子選擇性膜；

其中陰極隔間包含溶解在離子液體中的鉀超氧化物。