[发明专利]用于金属-空气电池的水增强离子液体电解质

说明书

本发明涉及用于金属‑空气电池的水增强离子液体电解质。提供一种金属‑空气电池，其包括乳化的或分散的水/离子液体双相电解质体系。该双相电解质体系包含水相和离子液体相，其中水的量超过离子液体的水溶解度。在一个实施方式中，该金属‑空气电池是锂‑空气电池。

背景技术

本发明涉及具有高容量和循环效率的金属-空气电池的电解质体系。

作为小型电子设备，甚至混合电动车辆的能源，锂离子技术已经占据了市场的支配地位。然而，作为用于未来能够驱动电动车辆的产生高容量的动力源的电源，锂离子电池不具有足够的理论容量。

作为先进一代的高容量的能源，已经在研究金属-空气电池，其具有驱动机动车设备行驶可与目前的基于碳氢化合物的内燃机相比的距离的潜力。在金属-空气电池中，阳极的金属被氧化，产生的阳离子向含有例如碳的材料的多孔基质的阴极区域移动，例如，在阴极区域氧被还原，并且作为氧化物或过氧化物的还原产物与金属阳离子结合形成放电产物。在充电时，这个过程理想上是可逆的。由于阴极材料(氧)可以从环境空气气氛中获得，且因此电池的容量在理论上受到阳极金属供应的限制，因此金属-空气电池被公认与金属离子电池相比具有潜在的优越性能。因此，氧气将从电池外部连续供应，并且电池容量和电压将取决于氧的还原性能和形成的放电产物的化学属性。

金属-空气电池通常包括金属电极(在该金属电极金属被氧化)、空气电极(在该空气电极氧被还原)，以及提供离子传导性的电解质。伴随着常规的金属-空气电池的重要的限制因素是电解质溶液(即，离子传导介质)的蒸发，特别是溶剂(诸如含水电解质溶液中的水和非水电解质溶液中的有机溶剂)的蒸发。因为空气电极需要空气渗透来吸收氧，它也可以允许溶剂蒸汽从电池逃逸。随着时间的推移，由于溶剂消耗，电池的运行效率降低。

与含水电解质电池相关联的其他问题包括在充电和自放电过程中水的电解。在充电过程中，电流通过电池以还原燃料电极处的氧化的燃料。然而，一些电流电解水导致在燃料电极处放出氢(还原)和在氧电极处放出氧(氧化)，如以下反应式所示：

还原：

2H₂O(l)+2e^-→H₂(g)+2OH^-(aq)

氧化：

2H₂O(l)→O₂(g)+4H⁺(aq)+4e^-

以这种方式，进一步从电池中失去含水电解质。此外，在还原氢中消耗的电子不可用于还原氧化物。因此，含水电解质的寄生电解降低了二次电池的长期循环效率。

为了弥补这些问题，通常将具有含水电解质溶液的金属-空气电池设计为包含相对大体积的电解质溶液。一些电池设计甚至包括用于从相邻的贮液器补充电解质以维持电解质水平的装置。然而，任何一种方法都增加了电池的整体尺寸以及电池的重量，却没有提高电池的性能(除了确保具有有效体积的电解质溶液，以抵消随着时间的推移水或其他溶剂的蒸发)。具体而言，电池的性能通常取决于燃料特性、电极特性、电解质特性、以及可用于反应发生的电极的表面积的量。但电池中的电解质溶液的体积通常不会对电池性能有显著的有益效果，因此通常就基于体积和重量的比(功率与体积或重量的比，和能量与体积或重量的比)而言只降低电池性能。此外，过大的电解质体积可能会在电极之间产生更大量的空间，这可能增加欧姆电阻并降低性能。

作为可氧化的阳极材料使用的金属包括任何金属、它们的合金或金属氢化物。例如，燃料可以包含过渡金属、碱金属和碱土金属。过渡金属包括，但不限于锌、铁、锰和钒。最常见的碱金属是锂，但也可以使用包括钠的其他碱金属。其他金属包括，但不限于镁、铝、钙和镓。金属电极可以包含金属，其包括单质金属、结合在分子或包括氧化物、金属合金、金属氢化物等的复合物中的金属。