[发明专利]高容量碱金属/氧化剂电池

说明书

技术领域

本发明大体上涉及电化学电池，并且更特别地涉及由碱金属负极和包含镍、镁(锰)或铁的正极形成的电池。

背景技术

电池是其中电子和离子在负极和正极之间往返以实现电化学反应的电化学装置。电池的电压和容量由电极材料确定。在常规电池中，包括负极材料、正极材料、隔膜、电解质和集电器的所有部件被装入体积固定的容器中。只要电池被组装，其能量和容量就是不可改变的。流通电池由被离子交换膜隔开的集电器(电极)组成，同时其负极和正极材料被储存在单独的储存罐中。负极和正极材料在流通电池中循环，其中发生电化学反应以释放和储存能量。因此，电池容量和能量由以下确定：(1)电极材料(负极液(anolyte)和正极液(catholyte))，(2)负极液和正极液的浓度，和(3)负极液和正极液储存罐的体积。常规的现有技术负极和正极材料通常与含有一些氧化还原对的水性或非水性溶液(电解质)反应。

一般来讲，将金属用作负极材料可以在电池中获得高电压，同时它们的低分子量提供大的容量。例如，锂具有相对于H₂/H⁺为-3.04伏(V)的最负电位和3860毫安时每克(mAh/g)的最高容量。高电压和大容量导致电池的整体高能量。另外，在金属离子电池中，钠、钾、镁、镍、锌、钙、铝等是作为负极材料的良好候选物。

现有技术正极材料聚焦于金属离子主体化合物(hostcompounds)。金属离子可以在充电过程中被从电极材料的间隙空间提取并且在放电过程期间被插入到材料中。然而，值得注意的是，充放电过程严重扭曲材料的晶格，这在若干循环后基本上破坏了它们的结构。此外，这些正极材料仅能提供小于金属负极材料十分之一的容量。因此，需要开发新的正极材料以(1)匹配负极材料的更高容量并且(2)展示金属离子电池的长循环寿命。

在1996年，Abraham和Jiang报道了其中氧被用作正极材料[非专利文献1]的聚合物电解质系可再充电锂/氧电池。空气中的氧不断流入电池并且提供5200瓦时每千克(Wh/kg)的非常高的比能。然而，氧正极具有若干缺点。首先，昂贵的电催化剂被用在电池中以降低氧反应的动力学障碍。第二，氧的迟钝的电化学反应在锂/空气电池中制造了大的过电位。第三，锂/空气电池必须保持开放的正极以允许空气进入。相似地，氧正极也被用在锌-空气电池中[专利文献1]。

在2011年，Lu和Goodenough揭示了用于锂离子电池的水性正极[非专利文献2]。他们使用水溶性氧化还原对例如Fe(CN)₆³/Fe(CN)₆⁴的水溶液作为正极。在周围环境中，锂/水性正极电池在约3.4伏下工作。该电池展示小的过电位，高的库伦效率和长循环寿命。然而，水在电化学体系中为惰性材料，其降低正极的比容量。虽然锂/流通正极电池的设计可以增加容量和能量，但是其体积必须是大的。

利用相似的电池结构，Ni(OH)₂被用作正极以匹配锂负极[非专利文献3]。Li/Ni(OH)₂电池必须被充电使得Ni(OH)₂可以通过如下反应被氧化为NiOOH：

Ni(OH)₂+OH^-＝NiOOH+H₂O+e^-。

同时，发生以下反应：

Li⁺+e^-＝Li

其中锂离子来源于电解质。

因此，虽然Ni(OH)₂实验性地展示260mAh/g的高容量，但是电池容量被电解质中的Li离子浓度所限制。Li/Ni的容量优点被电解质中的Li离子浓度所限制。

引用列表

专利文献

专利文献1：PhilipN.Ross,Jr.，锌电极和可再充电锌-空气电池(Zincelectrodeandrechargeablezinc-airbattery)，US4842963。

专利文献2：WilliamC.Carter，Yet-MingChiang，高能量密度氧化还原液流装置(Highenergydensityredoxflowdevice)，US2011/0189520。

非专利文献