[发明专利]具有离子交换材料的金属-空气电池

说明书

在先申请的引用

本申请要求2011年6月17日提交的美国临时申请号61/498,308和2011年12月9日提交的美国临时申请号61/568,875的优先权。

政府资助支持

本发明是由能源部授予的批准号DB-AR-0000038的美国政府支持下完成的。美国政府在本发明中具有一定的权利。

发明领域

本发明的实施方式涉及电化学金属-空气电池，其使用离子交换材料以促进电极间离子迁移或辅助离子迁移中离子传导介质。

背景技术

对大多数电池能量密度的一个显著损害是由电池的阴极造成的。对于使用例如锂或镍的电池化学也是如此。通常，氧化剂以低于阳极的摩尔充电容量的2至5倍的摩尔充电容量贮存在阴极。另一方面，许多燃料电池使用来自空气的氧作为氧化剂的来源。原则上，存在连续且事实上无限的氧化剂来源能够得到高能量密度。然而，使用氢和有机燃料由于蒸气压和系统平衡复杂性的问题，例如增湿和膜问题而妨碍高能量效率。金属-空气电化学电池能够联合电池的超高阳极容量与燃料电池的呼吸型(air-breathing)阴极，以便获得与现代能量需求有关的相当大的能量密度。

金属-空气电池通常包括金属燃料在其上被氧化的燃料电极、氧在其上被还原的空气电极以及用于提供离子电导率的电解质。常规金属-空气电池的限制因素是电解质溶液（即离子传导介质）的蒸蒸发，尤其是溶剂例如水性电解质溶液中的水的蒸发。因为空气电极需要是空气可渗透的以吸收氧，所以它也可以允许溶剂蒸气例如水蒸气从电池逃逸。经过一段时间后，由于溶剂的枯竭，电池变得不能有效地工作。事实上，在许多电池设计中，该蒸发问题致使电池在燃料耗尽之前无法运行。并且该蒸发问题在二次（即可充）电池中会加剧，因为在电池的寿命中可以重复地再充燃料，而电解质溶液却不能(缺少来自外部来源的补充)。

存在与水性电解质电池有关的其它问题：例如再充电期间的水电解和自放电。在再充电期间，电流流过电池，在燃料电极处还原氧化态燃料。然而，一些电流电解水，导致在燃料电极处析氢(还原)和在氧电极处析氧(氧化)，如下面的方程所示：

(1)还原∶2H₂O(l)+2e^-→H₂(g)+2OH^-(aq)和

(2)氧化∶2H₂O(l)→O₂(g)+4H⁺(aq)+4e^-

以这种方式，更多的水性电解质从电池中损失。此外，在还原氢中所消耗的电子不可用于还原燃料氧化物。因此，水性电解质的寄生电解降低了二次电池的循环效率。

自放电可以由电极中的杂质或者与电解质的反应造成。通常，来自电极中的杂质的自放电小(每月2-3%的损耗)。然而，活性金属与水和/或溶解在水中的O₂的反应可能相当高(每月20-30%)。

为了弥补这些问题，具有水性电解质溶液的金属-空气电池通常被设计为包含相对高的电解质溶液体积。一些电池设计甚至引入用于从附近的储液器补充电解质以维持电解质水平的装置。然而，任何方法既增加了电池的总体尺寸，也增加了电池的重量，却没有增强电池性能(除了确保存在显著体积的电解质溶液用以抵消水或者其它溶剂随时间的蒸发)。具体地，电池性能一般由燃料特性、电极特性、电解质特性以及可用于发生反应的电极表面积的量来确定。但是电池中电解质溶液的体积对电池性能一般没有显著的有益效果，因此一般仅在基于体积和重量比率(功率比体积或重量和能量比体积或重量)方面减损电池性能。另外，过大的电解质体积可以在电极之间产生较大量的间距，这可能增加欧姆电阻并减损性能。

已经建议使用用于电化学电池的非水体系(参见例如美国专利号5827602)。在非水体系中，水性电解质可以被离子液体取代。然而，已知包含强Lewis酸例如AlCl₃的离子液体在暴露于水分时释放出有毒气体。