具有与游离锂离子分隔的阴极的锂空气蓄电池的利记博彩app
【专利说明】具有与游离锂离子分隔的阴极的锂空气蓄电池
[0001]发明背景
[0002]本发明涉及具有高容量和再循环效率的锂空气蓄电池。
[0003]对于小型电子设备并且甚至是混合动力车辆来说，锂离子技术作为能量来源已经占据市场主要地位。然而，锂离子蓄电池对于能够运行电动车辆的未来高容量电源来说不具有成为电源的足够理论容量。
[0004]已经对金属空气蓄电池作为改进的一代高容量能量来源进行了调查研究，其具有用以驱动车辆设备持续与目前基于碳氢化合物的内燃机可比的距离的潜力。在金属空气蓄电池中，将阳极的金属氧化，并且所产生的阳离子运动至包含材料(例如碳)的多孔基体的阴极区域，例如氧在该处被还原，并且还原产物作为氧化物或者过氧化物与金属阳离子组合以形成放电产物。在充电时，理想地使这种过程逆转。认为金属空气蓄电池与金属离子蓄电池相比具有潜在的有利性质，因为阴极材料、氧可以由环境空气气氛获得，并且蓄电池容量在理论上会受阳极金属供给限制。因此，氧气会由蓄电池外部连续地供给，并且蓄电池容量和电压会取决于氧还原性质和所形成的放电产物的化学属性。
[0005]锂空气蓄电池具有提供常规锂离子蓄电池的5-10倍的能量密度的潜力，并且作为锂离子蓄电池后续技术已经引发了很大的兴趣和开发关注。例如，与阴极产物为Lia5Co02的锂离子蓄电池的600Wh/kg相比，形成Li 202作为放电产物的非水锂空气蓄电池理论上会提供3038Wh/kg。然而实际上，金属空气技术并且特别是目前的非水锂空气蓄电池遇到了许多技术问题，其妨碍了理论容量的实现。
[0006]Li空气蓄电池的容量高度依赖于阴极基体储存Li202放电产物的容量。Li 202通常不可溶于金属空气蓄电池中使用的常规非水溶剂。因此，在阴极基体处形成时Li202沉淀并填充阴极基体的表面孔隙，从而有效地防止进入基体内部区域的空闲容量。此外，Li202为隔离体，并且一旦涂覆基体的表面，就会阻止氧还原并且放电终止，即蓄电池容量与理论容量相比严重地下降。
[0007]如上所述，处理这种问题并制备有效的高容量锂空气蓄电池的努力已经受到了很多的关注。
[0008]Christensen等人(US 2014/0087273)描述了锂空气电化学电池，用负电极、正空气电极和在空间上设置在两个电极之间的多孔储存器(沉淀区域)构造该电池，所述多孔储存器与正电极流体连通，从而使得在电池放电过程中形成的放电产物位于所述储存器中并在其中沉淀。Christensen公开了位于负电极和储存器之间的分隔体并列出了常规的电解质体系。没有描述离子液体。也没有描述包含将所述系统分为负电极室和正电极室的固态导体的结构。
[0009]Zhang等人(US 2014/0072884)描述了一种锂空气蓄电池，其中空气阴极通过包含交联聚硅氧烷膜的固体聚合物电解质(SPE)与锂阳极分隔。所述SPE可以直接在阳极上形成，在置于阳极和空气阴极之间的陶瓷分隔体上形成或者与第二聚合物一起层压。Zhang所处理的问题在于提供较不易碎的分隔体，其防止锂枝晶生长至阴极。
[0010]Eicher等人(US 2014/0045078)描述了一种锂空气电化学电池，其包含锂金属阳极和常规空气阴极。所述电池通过为离子特性的膜分为两个室。阴极室的电解质溶剂可以是有机的或含水的，而对于阳极室也需要溶剂。电解质包含二氟磷酸锂和氟化溶剂。Eicher没有公开或建议离子液体作为阴极室电解质的组分，并且没有公开或建议其中阴极处的锂离子浓度非常低的电解质。
[0011]三星电子(US 2014/0011101)描述了一种具有锂阳极的锂空气蓄电池，用保护性电解质层接着是锂离子传导固体电解质膜(SEM)涂覆所述锂阳极。在SEM的阴极侧上为电解质以及分隔空气阴极和阳极的另一个分隔体。这种结构产生阳极室和阴极室。然而，三星没有公开或建议包含离子液体的阴极室电解质和阴极附近低浓度的锂离子。
[0012]Christensen等人(US 2013/0330641)描述了一种锂空气蓄电池，其具有与空气阴极分隔的锂阳极。电解质组合物既位于阴极处又位于分隔体内。空气阴极包含锂插入材料，用于保持过氧化锂放电产物。所述的插入材料涂覆有可渗透锂离子、但是不可渗透电解质的聚合物。这篇参考文献没有公开其中阴极室包含离子液体并且阴极附近的锂离子浓度低的室构造。
[0013]Amine等人(US 2013/0230783)描述了一种锂空气蓄电池，其包含锂阳极、分隔体和空气阴极的普遍标准构造。为了形成纳米晶体过氧化锂，基于醚的电解质包含聚亚烷基二醇醚、锂盐和有利于具有低电荷过电势的过氧化锂形成的化合物，由此导致纳米晶体结构。Amine既没有公开也没有建议其中阴极室包含离子液体并且阴极附近的锂离子浓度低的室构造的电池。
[0014]Nakanishi(US 2010/0151336)描述了金属空气蓄电池(例示了锂空气蓄电池)，其经构造以维持电解质体积在整个充电和放电循环中处于恒定值。这通过使电解质持续循环经过电池和/或通过实时监控电解质水平并在所述水平低时添加电解质来实现。Nakanishi还描述了允许惰性气体进入该电池以稀释氧浓度。Nakanishi电池的构造为添加如上所述的设备的常规构型。
[0015]Peled等人(W0 2011/154869)描述了一种金属空气蓄电池(例不了钠空气蓄电池)，采用在多孔框架内包含熔融金属的阳极(涂覆有固体电解质界面膜(SEI))、电解质体系和空气阴极构造该蓄电池。将离子液体描述为电解质组分。所述SEI包含硫衍生物、金属盐和任选的聚合物。Peled公开了多种不同的包括陶瓷膜和聚合物电解质的电解质介质。还描述了常规的高沸点有机溶剂。没有公开或建议其中阴极室包含离子液体并且阴极附近的锂离子浓度低的室构造。
[0016]Gordon等人(W0 2008/133642)描述了一种金属空气蓄电池(例示了锂空气和钠空气蓄电池两者)，其包含金属阳极、离子选择性膜和空气阴极。离子选择性膜可渗透金属离子但不可渗透电解质，并且相对于阴极的含水电解质防护阳极。由离子选择性膜形成的阳极室可以包含可与金属相容的非水溶剂。在阴极室中形成的金属氧化物盐在含水电解质中通常是可溶的。Gordon没有公开或建议其中阴极室包含离子液体并且阴极附近的锂离子浓度低的室构造。
[0017]尽管进行了大量持续不断的努力，但是仍存在开发和制造有效的、安全的、成本有效的、高容量锂空气蓄电池的需求，其特别是可用于驱动车辆至少是等于目前的碳氢化合物燃料系统或可与之竞争的距离。
[0018]发明概述
[0019]通过本发明来处理这个和其它的目标，本发明的第一实施方案包括锂空气电化学电池，包含:
[0020]包含阳极的阳极室，所述阳极包含锂、锂合金或能够吸附和释放锂的多孔材料；
[0021]阴极室，包含空气阴极和离子液体；和
[0022]分离阳极室和阴极室的锂离子选择性膜；
[0023]其中对阴极室进行空间上的布置使得阴极与锂离子选择性膜的距离为至少
0.lmm0
[0024]在第一实施方案的一个方面中，阴极室的离子液体不含锂盐，并且对于02的电化学还原是稳定的。
[0025]在第一实施方案的另一个方面中，阴极室包含这样的锂离子浓度梯度:使得锂离子浓度在锂离子选择性膜处最高，并且在空气阴极处最低。
[0026]在另一种实施方案中，本发明包括包含第一实施方案的电化学电池的蓄电池。
[0027]前面的段落通过概述的方式来提供，其并不意图限制随后的权利要求的范围。将通过参考以下结合附图所做的详细说明来最佳地理解当前优选的实施方案连同其它的优点。
[0028]附图简要说明
[0029]图1示出根据本发明的一种实施方案的锂空气蓄电池的示意图。
[0030]图2示出实施例1、实施例2和对比例1 (封闭的02供给)的放电曲线。
[0031 ] 图3示出实施例3和对比例2 (开放的空气供给)的放电曲线。
[0032]图4示出实施例4和对比例3的放电曲线。
[0033]图5示出根据本发明的一种实施方案的锂空气蓄电池的基础功能结构的示意性说明。
[0034]发明的优选实施方案的说明
[0035]在整个该说明书中，所描述的所有范围均包括其中所有的值和子范围，除非另外说明。另外，不定冠词“一个(a)”或“一种(an)”在整个说明书中包括“一个或多个”的含义，除非另外说明。当指出数字限制或范围时，包括端点。还特别地包括数字限制或范围内的所有值和子范围，就像其被明确地写出