[发明专利]基于铝的金属-空气电池

说明书

相关申请的引用

本申请要求2011年12月19日提交的美国临时申请序列号：61/577,490的优先权，该临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

政府资助声明

本说明书中述及的所有出版物、专利和专利申请均以引用方式全文并入本文。本发明依据美国能源部授予的合同号DE-AR-00000038在美国政府支持下完成。政府对本发明享有一定权利。

背景技术

金属-空气电池是熟知的，并包括金属燃料电极和空气电极。在放电过程中，金属燃料在金属燃料电极处被氧化而氧在空气电极处被还原。在可再充电(又名“二次”)类型的金属-空气电池中，金属燃料可在燃料电极上还原并且氧可在空气电极或单独的充电电极处通过氧化析出。

由于铝与其它典型的电池材料如锌(5849AhL^-1)和锂(2061AhL^-1)相比高的体积容量(8043AhL^-1)，故用于高性能电池的最有前景的材料之一为铝。另外，铝既是含量丰富又是相当便宜的材料。通常，可以使用AlCl₃在氯化物离子液体和分子溶剂中作为铝离子的源的非水溶液中获得铝的充分还原-氧化(“氧化还原”)行为。然而，氯离子可能有着显著的缺点。例如，引起铝的电化学行为的主要物质(Al₂Cl₇)不是空气稳定的并且在少量水的存在下易于分解。在铝金属上特别快的形成氧化物层使得使用铝作为电池材料的困难复杂化。在电池中，该氧化物层可以使铝电极钝化，甚至在具有低的水浓度的电解质中。如果向铝电极施加恒定的正电流，则保持该电流所需的过电位将随时间而增大，从而造成增加寄生功率的量。

为了克服选择铝作为高性能电池中的电极材料所提出的固有困难，需要能够基本上抑制铝电极的表面钝化并同时允许在电池内发生氧化还原反应的电解介质。具体而言，需要的是：

a.空气稳定并且水稳定的铝化学和电解介质。

b.在开路条件下在铝界面处形成几乎完美的钝化膜(即，不允许在铝电极处发生自放电)的电解介质。

c.在极化或放电条件下在低的过电位下“脱除(lite off)”(即，在电化学作用下移除)钝化膜并允许发生持续的法拉第铝氧化(即，能够实现功率密集、高容量的电池组成)的电解介质。

d.使铝离子溶剂化或络合使得法拉第氧化导致蚀刻铝界面而不是形成阳极氧化膜(即，能够实现平坦放电和高容量)的电解介质。

e.在从阳极极化条件转向开路条件后迅速再形成钝化膜以防止自放电(即，允许许多部分放电事件以及首次放电事件后长的搁置寿命)的电解介质。

f.具有高的沸点和低的熔点以便在宽的气候谱中高效地运行的电解介质。

g.使寄生反应最小化从而能够实现最高可能的电流效率的体系。

已提出若干保护反应性金属电极(例如，铝)使之免于表面钝化的方法。采用离子选择性膜、快速离子传导陶瓷膜、两相电解体系和厚-变量空气阴极的显式保护措施为若干非限制性实例。然而，所有这些方法将导致复杂的电池结构，其将消除铝所提供的能量密度中的大半。

与追求铝-空气电池的化学的显式保护(其将大大降低可得的能量密度)相反，本发明提供了一种解决方案，其中铝-电解质界面被隐式保护并任选地被活化。通过使用溶液活化剂或溶解的金属盐，使得通过防止钝化来保护电极表面的电解介质成为可能。

发明内容

本发明描述的实施方式的一个目的在于提供一种具有电解介质的电化学电池，所述电解介质能够基本上抑制在电池的非使用过程中铝电极的钝化但允许在放电模式过程中电极处发生氧化还原反应。

一个实施方式提供了一种电化学电池，所述电池包括：(i)多个电极，所述电极包括包含铝的燃料电极和吸收气态氧的空气电极，所述电极可在放电模式下运行，其中铝在燃料电极处被氧化而氧在空气电极处被还原，和(ii)包含有机溶剂的离子传导介质；其中在电池的非使用过程中，所述有机溶剂将促进在所述燃料电极的铝和所述离子传导介质之间形成保护性界面，并且其中在放电模式开始时，至少一些保护性界面将从所述铝移除，以在其后允许放电过程中氧化铝。