[发明专利]包括蓄电池和空-铝电池组的系统

说明书

发明领域

本发明涉及电能储存领域，具体来说，涉及金属-空气电化学电池。

电能储存装置具体为电池组(battery)，越来越频繁的用于日益增多的各种应用：移动电话、笔记本、便携式工具、电动或混合动力车辆等。对于这种应用，电能储存装置需要轻量、紧凑，且它们必须满足和它们的应用相关的电气要求。

发明背景

在考虑用于未来电动汽车的蓄电池系统中，就理论能量密度而言，金属-空气电池似乎是最有前景的选择。金属-空气电化学电池由在电池放电时金属发生氧化反应所在地的负极(阳极)、涉及空气中氧气还原的正电极(阴极，也称为空气电极)、和通过离子物质在电极之间提供离子导通的电解质组成。空气电极最常由包含催化剂的两活性层和它们之间的金属网格的组件组成。

在设计电化学电池时，选择所用金属是重要的阶段。锂(Li)是电负性最强和最轻的金属，因此自然地许多开发工作都是基于锂空电池组进行的，例如专利申请US-2009/0053594 A1。但是，锂是一种当暴露于环境空气时可带来多种危险的金属，且尽管这种金属的天然储存量很大，但提取和处理成本高昂。此外，在锂离子电池组中大量使用锂往往减少这些储存量。对硅的兴趣也日益增加，例如专利申请WO-2011/061728 A1描述了这种系统。在该文中，所用的硅是掺杂的n型或p型硅，这意味着较高的提取成本，虽然微电子已实现了对实施技术的完美控制。

而铝是丰富的低原子量的三价金属，且当暴露于空气时不会带来危险，且较廉价。现有技术中描述了机械性可充电的铝-空电池组系统，具体参见专利申请WO-2010/132357和WO-2002/086984。现有技术中描述的铝-空气系统涉及包括生理盐水或碱性溶液的电解质。在研究最多的后一种情况中，氧气在水中的阴极处的还原反应产生羟基离子。存在这些离子时，金属的氧化导致形成晶体水合氢氧化铝沉淀，且逐渐堵塞空气电极的孔，导致电化学电池性能劣化。

第一篇文献(WO-2010/132357)提到用铝制备金属电极的可能性，且描述了可使用的各种电解质，但对铝-空系统遇到的问题没有提供解决方案。

为了克服上述不足，专利申请WO-2002/086984描述了使用“脱水”添加剂来防止形成晶体水合氢氧化铝，从而获得具有更少结合的水分子的晶体化合物，结果增加了电池组的使用寿命。此外，使用添加剂增加了电池的成本。但是，当使用添加剂时，电解质的电导率会下降。实际上，在该文献要求保护的有机添加剂中，淀粉和聚丙烯酰胺增加了介质的粘度(形成凝胶)并因此降低电导率。其它两种添加剂相应地降低了电解质中存在的水部分，由此使它更不导电。

和铝-空电池组相关的第二个问题是在碱性介质中观察到的铝腐蚀现象，这可转化成氢气释放和与之相关的安全问题，且大量的超电压对电池的总体性能不利。上面的两篇文献都没有解决这个问题，例如使用添加剂没有降低和铝腐蚀相关的氢气释放。

为了克服上述不足，本发明涉及铝-空电化学电池，其包括非水性的电解质，且通过它的组成几乎不腐蚀铝。因此，配备这种电解质的铝-空电化学电池是轻量的、具有良好的电化学性能同时适用于电能储存的电气特征。

发明内容

本发明涉及能产生和/或储蓄电能的铝-空电化学电池(cel l)，其包括有铝或铝合金制备的可氧化的电极、运行空气扩散和空间中的氧气还原的导电空气电极、和电解质。电解质是非水性的，且包括三氯化铝(AlCl₃)和氯化的环状或杂环、脂肪族含氮衍生物的混合物。

根据本发明，电解质中三氯化铝(AlCl₃)部分和氯化环状或杂环、脂肪族含氮衍生物部分的摩尔比例范围是1.01-2。

优选地，电解质的氯化的环状或杂环、脂肪族含氮衍生物选自下组：1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓(EMlmCl)，1-丁基-3-甲基-氯化咪唑鎓，1-丁基-氯化吡啶鎓或苄基三甲基氯化铵。

优选地，三氯化铝部分和1-乙基-3甲基-咪唑氯化鎓(EMlmCl)比例的摩尔比例基本上等于1.5。

根据本发明的一种实施方式，所述电解质还包括有机液体和/或离子液体。

此外，所述电解质在电池的环境工作温度下是液体。或者，所述电解质在电池的环境工作温度下是凝胶。

根据一种实施方式，所述电极包括微孔多出组件和允许氧气还原的活性元素。

优选地，所述空气电极由多孔碳、氧气还原催化剂、全氟聚合物和集电器组成。

优选地，所述氧气还原催化剂选自金属氧化物、具体是锰、镍或钴的氧化物，或选自掺杂的金属氧化物或选自贵金属。