[发明专利]用于包括金属燃料的电化学电池的杂离子芳族添加剂

说明书

本发明的实施方式提供了电化学电池，其包括：包含金属燃料的燃料电极，第二电极和连通电极的离子传导介质；该离子传导介质包含杂离子芳族添加剂。燃料电极和第二电极可在放电模式下操作，其中金属燃料在充当阳极的燃料电极处被氧化，从而产生从燃料电极通过负载传导到第二电极的电子。还公开了离子传导介质和操作电化学电池的方法。

在先申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月13日提交的第61/780,662号美国临时专利申请的权益，其全部内容作为整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于发电的电化学电池，更具体地涉及使用电沉积燃料的电池。该电池的离子传导介质包含杂离子芳族添加剂。

本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请均作为整体通过引用并入本文。

背景技术

已知电化学电池使用金属作为燃料。也已知电化学电池使用电解液(一种溶剂分子和溶质离子的溶液)作为离子传导介质。由于溶剂分子与溶质离子之间的热力学作用，溶剂分子使溶质离子形成溶剂化物，从而使电解液保持离子传导性。取决于期望的操作特征和化学性质，使用金属作为燃料的电化学电池可以是“原”(即，不可再充电的)电池或“蓄”(即，可再充电的)电池。在使用金属作为燃料的电化学电池中，金属燃料在放电过程中在充当阳极的燃料电极处被氧化。被氧化的金属燃料离子可以以可还原的形式保留在电解质溶液中(作为溶剂化的离子，或是与其他离子结合，如在分子或络合物中)。

在电化学蓄电池的充电过程中，可还原的金属燃料离子在电解液和现充当阴极的燃料电极之间的界面处被还原为金属燃料，从而通过该方法(称为电沉积)将金属燃料镀覆在燃料电极上。

包含金属燃料的电化学电池的一个明显问题是在空闲模式(例如，贮藏)过程中倾向于发生腐蚀或自放电。这在很多时候表现为可用容量的损失。在更极端的情况下，自放电可导致气体释放，而过度的压力可破坏电池密封，最终导致电池失效。例如，在包含锌金属燃料的碱性电池中，天然的氧化层不足以使经常导致电池性能损失的腐蚀进程停止。

对于蓄电池而言，在充电-放电循环中产生的一个明显问题是丝状物(filament)或枝状物(dendrite)的形成。这些形成物通常是不均匀的、分散的沉积物，这可能是因为绒毛状(mossy)或枝状生长，和/或是因为丝状物、节状物(nodule)等的生长。通常，这类金属沉积可在电极之间引起不期望的短路，导致电池失效。理想地，电沉积的金属在整个燃料电极表面上积聚为光滑层，由此在从一次充电-放电循环到下一次充电-放电循环的过程中保持电极表面形态。

与常规水性电解液电池相关的另一个问题是充电过程中的水电解。在充电过程中，电流通过电池以在燃料电极处还原被氧化的燃料。然而，如以下方程式所表示的，在碱水溶液中一些电流将水电解，导致在燃料电极处析氢(即，还原作用)和在氧化剂电极处析氧(即，氧化作用)：

2H₂O(1)+2e^-→H₂(g)+2OH^-(aq)和 (1)

2OH^-(aq)→1/2O₂(g)+H₂O(l)+2e^-。 (2)

以这种方式，水性电解液从电池中损失。此外，在还原氢时消耗的电子不再可用于在燃料电极处还原燃料。因此，水性电解液的寄生性电解(parasitic electrolysis)降低了蓄(即，可再充电的)电池的循环效率。