[发明专利]包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电极保护

说明书

相关申请 

本申请要求2006年3月22日申请的发明名称为“Lithium/Water，Lithium/Air Batteries”的美国临时申请第60/785,768号、2006年4月6日申请的发明名称为“Electrode Protection in both Aqueous andNon-Aqueous Electrochemical Cells，including Rechargeable LithiumBatteries”的美国专利申请第11/400,025号和2006年4月6日申请的发明名称为“Rechargeable Lithium/Water，Lithium/Air Batteries”的美国专利申请第11/400,781号的优先权。 

技术领域

本发明涉及电化学电池中的电极保护，并且更加具体地涉及包括可再充电锂电池的含水和非水电化学电池中的电极保护。本发明还涉及用于在水和/或空气环境中使用的包括锂阳极的可再充电电化学电池。 

背景技术

近年来已经大量关注于开发具有含锂阳极的高能量密度的电池。例如与诸如添加碳的锂阳极之类的阳极相比，其中非电活性材料的存在增加了阳极的重量和体积并从而减少了电池的能量密度，并且与例如具有镍或者镉电极的其它电化学系统相比，锂金属由于它极轻的重量和高能量密度而作为电化学电池的阳极尤为引人关注。锂金属阳极或者主要包括锂金属的阳极提供了机会来构造电池，该电池与诸如锂离子、镍金属氢化物或者镍-镉电池之类的电池相比，重量更轻并且能量密度更高。这些特征对于为了重量轻而付费的便携电子设备如蜂窝电话和膝上型计算机的电池而言是高度希望的。遗憾的是，锂的反应性与相关循环寿命、枝晶形成、电解质兼容性、制作和安全问题有碍于锂电池的商业化。 

锂电池系统一般包括在放电期间被电化学锂化(lithiate)的阴极。在这个过程中，锂金属被转换成锂离子并且通过电解质被输送到将它还原的 电池阴极。在锂/硫电池中，锂离子在阴极形成多种锂硫化合物中之一。在充电时，该过程被反过来，并且在阳极处从电解质中的锂离子中镀覆锂金属。在每次放电循环中，相当数量(例如15％-30％)的可用Li可以电化学溶解于电解质中，并且在充电时可以在阳极重新镀覆几乎这个数量。典型地，与在每次放电期间去除的数量相比，在每次充电时在阳极重新镀覆略微更少的锂；小部分的金属Li阳极典型地在每次充电-放电循环期间被损耗成不可溶的电化学无活性物质。 

这个过程以诸多方式对阳极产生压力，并且可能造成过早耗尽Li并减少电池循环寿命。在这个循环期间，Li阳极表面可能变得粗糙化(这可能增加场驱动腐蚀的速率)，并且Li表面粗糙化可能与电流密度成比例地增加。与在循环时从阳极的总体Li损耗相关联的许多无活性反应产物也可能在日益粗糙化的Li表面上积累，并且可能干扰电荷向底层金属Li阳极的输送。在电池的其它部分中没有其它退化过程的情况下，仅每一循环的Li阳极损耗就可能最终造成电池无活性。因而希望最小化或者抑制Li损耗反应，最小化Li表面粗糙度/腐蚀速率，并且防止任何无活性腐蚀反应产物干扰电荷跨Li阳极表面的输送。尤其是在(商业上希望的)较高电流密度下，这些过程可能造成电池更快衰竭。