[发明专利]具有钠盐作为介质的锂空气蓄电池

说明书

本发明涉及具有钠盐作为介质的锂空气蓄电池。具体地，提供了一种锂空气蓄电池。所述蓄电池包含：阳极室；供给有O₂源的阴极室；和分隔所述阳极室和阴极室的锂离子传导膜。阳极室包含锂离子电解质和具有锂或锂合金作为活性金属的阳极，而阴极室包含空气电极和钠离子电解质。阳极室通过不可渗透钠离子的锂离子传导膜与阴极室分隔。在优选的实施方案中，阴极室包含离子液体。

发明背景

本发明涉及具有高容量和再循环效率的锂空气蓄电池。

对于小型电子设备并且甚至是混合动力车辆来说，锂离子技术作为能量来源已经占据市场主要地位。然而，对于能够运行电动车辆的未来高容量电源来说，锂离子蓄电池并不具有成为电源的足够的理论容量。

已经对金属空气蓄电池作为先进的一代高容量能量来源进行了调查研究，其具有用以驱动车辆设备持续与目前基于碳氢化合物的内燃机可比的距离的潜力。在金属空气蓄电池中，将阳极的金属氧化，并且所产生的阳离子运动至包含材料(例如碳)的多孔基体的阴极区域，例如氧在该处被还原，并且还原产物作为氧化物或者过氧化物与金属阳离子组合以形成放电产物。在充电时，理想地使这种过程逆转。认为金属空气蓄电池与金属离子蓄电池相比具有潜在的有利性质，因为阴极材料、氧可以由环境空气气氛获得，并且因此蓄电池容量在理论上会受阳极金属供给限制。因此，氧气会由蓄电池外部连续地供给，并且蓄电池容量和电压会取决于氧还原性质和所形成的放电产物的化学属性。

锂空气蓄电池具有提供是常规锂离子蓄电池的5-10倍的能量密度的潜力，并且作为锂离子蓄电池后续技术已经引发了很大的兴趣和开发关注。例如，与阴极产物为Li_0.5CoO₂的锂离子蓄电池的600Wh/kg相比，形成Li₂O₂作为放电产物的非水锂空气蓄电池理论上会提供3038Wh/kg。然而实际上，金属空气技术并且特别是目前的非水锂空气蓄电池遇到了许多技术问题，其妨碍了理论容量的实现。

Li空气蓄电池的容量高度依赖于阴极基体储存Li₂O₂放电产物的容量。Li₂O₂通常不可溶于金属空气蓄电池中使用的常规非水溶剂。因此，在阴极基体处形成时Li₂O₂沉淀并填充基体的表面孔隙，从而防止进入基体内部区域的空闲容量。此外，Li₂O₂为隔离体，并且因此一旦涂覆基体的表面，就会阻止氧还原并且放电终止，即蓄电池容量与理论容量相比严重地下降。

如上所述，制备有效的高容量锂空气蓄电池的努力已经受到了很多的关注。

Gordon等人(WO 2008/133642)描述了一种金属(Li、Na、K)空气蓄电池，其具有金属阳极，分隔阳极和阴极并对每个电极形成单独隔室的离子选择性膜。阴极电解质为含水的，并且在阴极处形成的金属氢氧化物或金属过氧化物在含水阴极电解质中保持为溶质。

Hartmann等人(Nature Materials，第12卷，2013年3月，228-232)描述了一种电化学电池构造，其具有钠阳极和玻璃纤维空气阴极。电解质为具有三氟甲磺酸钠作为溶质的二乙二醇二甲醚。将所述电池与类似构造的锂电化学电池相比，作者得出这样的结论：钠空气蓄电池可具有比锂空气蓄电池有利的性质。

Peled等人(WO 2011/154869)描述了一种金属空气蓄电池，其中以熔融态使用金属阳极。熔融的阳极通过固体电解质界面(SEI)膜与阴极电解质分隔。描述了包括钠、锂、钾、铷、铯的多种金属及其合金，并且钠似乎为优选的实施方案。

Lu等人(US 2014/0075745)描述了一种碱/氧化剂蓄电池，其具有包括锂、钠和钾的碱金属的阳极，离子渗透膜分隔体以及NiOOH、Mn⁺⁴O₂或Fe⁺³(OH)₃的阴极。阳极电解质离子为阳极金属的阳离子，并且阴极电解质包含阴极活性材料和碱金属氢氧化物两者。