[发明专利]具有包括固体金属碳酸盐的阴极的金属-空气电池

说明书

本发明涉及金属-空气电池和制造金属-空气电池的方法。更特别地， 本发明所涉及的电池是金属-(O₂/CO₂)电池。本发明还涉及阴极和制造所 述阴极的方法。

背景

需要很多的努力以找到最小化对化石燃料的使用的方法，以便解决长 期的环境和能量供给关注。一个可持续的选项是改成清洁的且可再生的能 源，例如太阳、风和地热发电。成功使用这些技术的手段中的一个在于开 发可靠的大规模的高电能储存设备。

Li-空气电池的潜在地非常高的能量密度已经刺激了近期在开发其用 于诸如无人飞行器和移动电源之类的应用的很大的兴趣。

在20世纪90年代中期，Abraham和合作者证实了第一个无水的Li- 空气电池，其采用Li负极(阳极)、多孔碳正极(阴极)和凝胶聚合物、 Li离子导电的电解质膜(Abraham,K.M.,Jiang,Z,J.Electrochem.Soc.143, 1,1996)。在放电时，来自空气的O₂进入多孔阴极并且被还原成O₂^2-，此 时，其与Li⁺离子结合以在孔隙中形成固体氧化锂。充电使此过程反转。

Li-空气电池的储能容量和功率容量强烈地被空气电极的性质决定，该 性质贡献Li-空气电池的大部分的电压降。目前，在大部分的Li-空气电池 中的空气电极由多孔碳材料组成。在Li-空气电池中，所有的Li-O₂反应都 发生在碳基底上，因此，通过使用合适的碳来首先建立用于Li-空气电池的 理想的主体结构(hoststructure)是关键性的。通常，高表面积碳对于构建 空气电极是优选的，因为较大的表面积意味着用于电化学反应的更多活性 位点并且还可以加载更多催化剂。

当前的Li-空气(和Na-空气)单元以充电状态被制造并且，在使用期 间，不溶性氧化锂在阴极孔隙空间中聚集，逐渐填满电池阴极。这通过降 低氧气从单元的空气侧的有效扩散速率而最终限制了电池性能。

使用由不同于锂的碱金属和碱土金属(例如Na、Ca、K等)制成的 阳极的无水的金属-空气电池还比目前技术水平的Li-离子电池提供了多达 10倍的能量密度的巨大增益。金属-空气电池是独特的电源，因为阴极活 性材料(氧气)不必储存在电池中而是可以从大气中取得，这降低了此类 电池的重量并且增加了电荷密度。此外，碱和碱土元素比锂丰富得多，并 因此将提供更可持续的能量储存解决方案，持续甚至超过长期的时间。因 此，例如钠单元代表对锂单元有吸引力的可选方案，这归因于钠的低成本 和随时可用性。

在阳极处的反应：

Na(s)→Na⁺+e^-

在阴极处的反应：

在二氧化碳的存在下，在阴极处可能发生另外的反应：

Na-O₂电池的一个实例已经被证实使用有机碳酸酯溶剂(Sun,Q.；Yang, Y.；Fu,Z.W.；ElectrochemistryCommunications,16,22–25,2012)。放电电势 接近理论值并且容量超过3000mAh/g(基于碳电极)。在放电期间溶剂的 分解被鉴定(通过FTIR)，导致Na₂CO₃的形成。充电时，Na₂CO₃被移除， 导致Na⁺离子和CO₂形成，表明基于碳酸钠的电池的可逆性。原型K-O₂电池也已经被制备(Ren,X.；Wu,Y.；J.Am.Chem.Soc；135(8)2923-2926, 2013)。