[发明专利]碱金属-空气电池阴极

说明书

本发明包括碱金属‑空气电池阴极。本发明涉及电化学技术领域，包括但不限于电化学电池，更具体地涉及金属‑空气电池及其阴极组件。本发明涉及对低成本和易于制造的在消费应用中具有改进的运行时间的电池的需求，以及对能够在间歇和高速率使用的应用中进行工作的金属‑空气电池需求。响应于这种需求，本发明的特征在于金属‑空气电池和包括固体离子传导聚合物材料的空气阴极组件。空气阴极的能量密度相对较高，因此不需要像典型碱性电池的阴极一样厚，并且减小的体积降低了空气阴极的原材料需求。较薄的阴极提供的较大的内部空隙可为金属空气电池提供较大的阳极。阳极和阴极之间较大的界面面积还允许电极之间具有较高的传质面积，从而可以实现较高的消耗速率。

发明领域

本发明一般性地涉及电化学电池，更特别涉及金属-空气电池及其组 成阴极。

发明背景

金属-空气电池是一种电化学电池，其使用由金属阳极制成的阳极和 来自空气的氧气作为阴极去极化剂(depolarizer)(燃料)。由于氧气不 储存在电池中，所以金属-空气电池的容量和能量密度可以非常高。表1 列出了锌-空气体系和其它金属空气电池体系的比能。锌-空气电池的比能 大幅超过了锂离子电池。

表1

在放电期间，金属-空气电池中的阳极进行对于特定金属典型的氧 化反应。反应机理通常是多步的，中间体取决于电解质。碱性锌-空气电 池的典型阳极放电反应由等式1-4表示。

Zn+4OH^-→Zn(OH)₄^2-+2e^- (1)

Zn+2OH^-→Zn(OH)₂+2e^- (2)

Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^- (3)

Zn(OH)₂→ZnO+H₂O (4)

所有金属-空气电池的关键部件都是空气电极。与传统的电池阴极不 同，空气电极可主要作为氧气还原的催化剂基体，也可作为阴极集流体， 而氧气则从电池外面的空气，通常是大气供应。碱性的含水电解质的阴极 反应顺序由下式描述：

O₂+2e^-+H₂O→O₂H^-+OH^- (5)

O₂H^-→OH^-+1/2O₂ (6)

由于氧气由外部空气供应，因此正电极本身可以非常薄，因为其只 需要传导电子并催化氧向羟基的反应。已经报道了各种碳，高锰酸钾，二 氧化锰，四吡嗪卟啉钴(tetrapyrazinoporphyrazine)衍生物，钙钛矿，钛 掺杂二氧化锰，氧化钴，石墨烯，科琴黑(Ketjen Black)，掺杂科琴黑， 碳纳米管，碳纤维，钴锰氧化物，导电聚合物和本征导电的聚合物，其组 合和其它化合物通过反应(6)催化过氧化物的化学分解。

典型的空气电极阴极结构通常包含多个层，包括空气扩散层，疏水 性PTFE层，其中碳与催化剂混合的催化层，所述催化剂对改善过氧化物 的分解具有活性。所述阴极通过隔膜和阻挡层与阳极隔开，可被电解质润 湿，并且能够防止金属阳极与阴极直接接触。