[發明專利]用于管理傳遞通過金屬空氣電池組電池的電功率的方法和相關聯的電池

有效

• 申請號: 201880055844.2
• 申請日: 2018-07-10
• 公開（公告）號: CN111033827B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 菲利普·史蒂文斯;格韋納埃勒·陶薩因特
• 申請（專利權）人: 法國電力公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/86;H01M10/44;H01M12/08
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 南霆;李有財

本發明涉及一種用于管理傳遞通過金屬空氣電池組(400)的電池(100)的電功率的方法，且涉及相關聯的電池。所述電池包括連接到所述電池組的正極端子(101)的負電極(10)、兩個正電極(20；30)以及開關構件(70)。此外，開關構件在傳遞通過所述電池組的電功率對應于第一功率范圍時維持在將所述正極端子連接到第一正電極的配置中，且在傳遞通過所述電池組的電功率對應于第二功率范圍時維持在將所述正極端子連接到第二正電極的配置中，所述第二功率范圍與比所述第一功率范圍的電功率更高的電功率相關聯。

技術領域

本發明涉及金屬空氣電池組的領域，且更具體地說，涉及用于在充電和放電階段期間管理傳遞通過這些電池組的電功率的方法。本發明同樣涉及單一金屬空氣電池或形成電池組的一組電池。

背景技術

金屬空氣電池組電池通常由耦合到空氣電極的基于例如鋅、鐵或鋰的金屬的負電極組成。這兩個電極通常與水性堿性電解質接觸。

在這種電池組放電期間，氧氣在正電極還原，且金屬在負電極氧化：

負電極處的放電：M→Mⁿ⁺+n e^-

正電極處的放電：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

金屬空氣系統的優點在于使用無限容量的正電極，因為在正電極處消耗的氧氣不需要存儲在電極中，而是可從環境空氣中獲得。金屬空氣類電化學產生器因其高比能而聞名，可達數百瓦時/千克。

空氣電極例如用于堿性燃料電池中，與其它系統相比，這是特別有利的，因為電極處的高反應動力學，且因為不存在例如鉑的貴金屬。

空氣電極是與液體電解質接觸的多孔固體結構，通常是碳粉?？諝怆姌O與液體電解質之間的界面是所謂的“三接觸”界面，其中電極的活性固體材料(這種電極通常還包括催化劑)、氣體氧化劑(意指空氣)以及液體電解質同時存在?？諝怆姌O通常由具有高表面積的碳粉構成，從而提供大的反應表面積和因此相對于電極的幾何表面積的高電流密度。大的反應表面積有利于補償氣體氧氣密度與液體密度之間的差異。舉例來說，與密度為55摩爾/升的水相比，空氣中氧氣的摩爾密度是約0.03摩爾/升。碳的大的表面積使得空氣電極中的反應位點倍增成為可能。

鋅空氣電池組的不同類型的空氣電極的描述例如在由V.Neburchilov等人撰寫的標題為“鋅空氣燃料電池的空氣陰極綜述(A review on air cathodes for zinc-airfuel cells)”的文獻，《電源雜志(Journal of Power Sources)》195(2010)第1271-1291頁中加以描述。

當金屬空氣電池組需要再充電時，電流的方向是反向的。氧氣在正電極處產生，且金屬通過在負電極處還原來再沉積：

負電極處的再充電：Mⁿ⁺+n e^-→M

正電極處的再充電：4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-

空氣電極未設計成在反向方向使用，且往往會通過在氧氣產生期間形成的液壓受到機械破壞。這種液壓通常造成在構成空氣電極的碳粉粒之間的接合斷裂。這種劣化會縮減電池組的壽命。

另外，當對電池組充電時，添加到空氣電極以改良氧氣還原反應的能效的催化劑在反向氧化反應所需的電位下降解。在氧氣存在下，通過碳的氧化，碳的腐蝕也在更高的電位下加速。

為了補救這些穩定性問題，特別是在充電期間，已提出使用僅用于對電池組充電的第二正電極。然后，開關允許在充電期間將電路的正極端子連接到第二電極，且在電池組放電期間將這種正極端子連接到空氣電極。申請WO 2014/083267描述使用這種系統來保護空氣電極在充電階段不劣化的電池組的實例。