[发明专利]具有空气电极保护装置的金属-空气蓄电池

说明书

本发明涉及可再充电蓄电池，其包括一个或多个金属‑空气电池，每个电池包括第一端子(1)和第二端子(2)、连接到所述第一端子(1)的金属‑空气电池的金属负电极(3)、析氧的第一正电极(4)、作为包含至少一种氧还原催化剂的多孔空气电极的第二正电极(5)、电解液、适于连续地将端子(2)和端子(1)之间的测量电压与设定值进行比较并在所述测量电压变成小于所述设定值时向切换装置发送切换信号的控制装置(6)、适于接收来自所述控制装置(6)的切换信号并将所述空气电极(5)与所述第二端子(2)连接和断开的切换装置(7)。本发明还涉及使用这种蓄电池的方法。

本申请是申请日为2012年5月15日、申请号为201280024018.4、发明名称为“具有空气电极保护装置的金属-空气蓄电池”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及可再充电金属-空气蓄电池，其包括空气电极、析氧电极和在蓄电池的充电和放电阶段期间保护所述空气电极的自动装置。本发明还涉及使用这种蓄电池进行存储和释放电能的方法。

背景技术

金属-空气电池使用基于金属的负电极，所述金属为例如锌、铁或锂，所述负电极耦接到空气电极。在这种电池放电时，分子氧在正电极被还原，而所述金属在负电极被氧化：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

M→Mⁿ⁺+ne^-

两个电极常常与碱性的水性电解液接触。

锌-空气电池被出售用于例如听觉假体中。

几十年来已经进行了大量的研究以开发和优化空气电极，这使得能够生产金属-空气电化学发生器，已知所述金属-空气电化学发生器能够达到几百Wh/kg的高能量密度。

空气电极具有如下优点：能够使用来自空气的氧作为电化学还原的氧化剂，空气可以随时随地无限量地使用。然而，因为空气中氧的密度低(0.03mol/L)，需要大的反应面积。空气电极的多孔固体结构提供了这种大的反应面积。空气电极为多孔固体结构，其与液体电解液接触，所述电解液一般为碱性的水溶液。空气电极与液体电解液之间的界面为所谓的“三相接触”界面，其中电极的活性物质、气态氧化剂和液体电解液同时存在。

对于可以用于锌-空气蓄电池中的各种类型的空气电极的描述，读者可以参考例如V.Neburchilov等人的文章“A review on air cathodes for zinc-air fuel cells”,Journal of Power Sources 195(2010),第1271–1291页。

然而，空气电极具有相当大的缺点，该缺点为在使用它们时在对蓄电池进行再充电时他们的大的脆性。具体来说，空气电极具有多孔结构并以体积的电极运行，在其中电化学反应发生在电极的全部体积中的气态氧化剂、液体电解液和固体活性物质(三相接触)之间的界面。在充电阶段，在空气电极的结构内形成气态分子氧。这种气态氧通过破坏碳颗粒和所用的粘合聚合物之间的结合快速地导致空气电极的多孔结构的机械破坏。

此外，在高电位下也加速了碳在氧的存在下通过碳氧化的腐蚀(参见电Kim J.、Lee J.、Tak Y.的文章“Relationship between carbon corrosion and positiveelectrode potential in a proton-exchange membrane fuel-cell during start/stopoperation”(2009),Journal of Power Sources,192(2),第674–678页，以及在Handbookof Battery Materials(J.O.Besenhard编辑),Wiley-VCH Verlag GmbH,Weinheim,Germany)中的Kinishita,K.的“Carbons”章节(2007)。