[发明专利]用于金属-空气蓄电池的两相电解质

说明书

本发明涉及一种用于金属‑空气蓄电池的两相电解质。提供了一种包含两相电解质体系的金属‑空气蓄电池。该两相电解质体系包含水相和离子液体相，其中水的量超过了该离子液体的水溶解度。在一个实施方案中，该金属‑空气蓄电池为锂‑空气蓄电池。

技术领域

本发明涉及一种用于具有高容量和循环效率的金属-空气蓄电池的电解质体系。

背景技术

锂离子技术已占据作为用于小型电子设备甚至是混合动力电动汽车的能源的市场。然而，作为用于未来能运行电动汽车的高容量世代动力源的动力源，Li离子蓄电池的理论容量不充分。

已经在研究采用金属-空气蓄电池作为新世代的高容量能源，其具有驱动车辆设备至可与现有基于烃的燃机相比的距离的潜力。在金属-空气蓄电池中，阳极的金属被氧化，所产生的阳离子迁移至含有例如碳的材料的多孔基体的阴极区，例如，在那里氧被还原，且还原产物作为氧化物或过氧化物与金属阳离子结合以形成放电产物。充电时，该过程在理想情况下是相反的。金属-空气蓄电池被认为具有超越金属离子蓄电池的潜在有利性能，因为阴极材料，氧，可以从环境空气气氛中获得，且由此蓄电池的容量在理论上将受阳极金属的供给所限制。因此，将从蓄电池外部持续地供给氧气，且蓄电池的容量和电压将取决于氧还原性能及所形成的放电产物的化学性质。

金属-空气蓄电池典型地包括金属电极、空气电极和用于提供离子传导性的电解质，在该金属电极处金属被氧化，在该空气电极处氧被还原。传统的金属-空气蓄电池的重要限制性因素是电解质溶液(即，离子传导介质)的蒸发，特别是溶剂的蒸发，例如水性电解质溶液中的水以及非水性电解质溶液中的有机溶剂。因为空气电极要求可渗透空气以吸收氧气，所以其也可允许溶剂蒸气从电池中逃出。随着时间的经过，由于溶剂消耗，电池的运行效率降低。

与水性电解质蓄电池相关的其它问题包括在再充电和自放电期间的水的电解。在再充电期间，电流流经蓄电池以在燃料电极处还原经氧化的燃料。然而，一些电流将水电解，导致在燃料电极处的氢的析出(还原)以及在氧电极处的氧的析出(氧化)，如下述等式所表示的那样：

还原：

2H₂O(l)+2e^-→H₂(g)+2OH^-(aq)

氧化：

2H₂O(l)→O₂(g)+4H⁺(aq)+4e^-

以这种方式，更多的水性电解质从蓄电池中损失。此外，在将氢还原时所消耗的电子不能用于还原氧化物。因此，水性电解质的寄生电解(parasitic electrolysis)降低了二次蓄电池的长期循环效率。

为了弥补这些问题，具有水性电解质溶液的金属-空气蓄电池典型地被设计为包含较大体积的电解质溶液。一些电池设计甚至引入用于从邻近存储容器补充电解质的装置以维持电解质水平。然而，任何方法都增加了电池的整体大小以及电池的重量，而没有提高电池性能(除了确保有显著体积的电解质溶液以弥补水或其它溶剂随时间的蒸发)。具体而言，电池性能通常由燃料特性、电极特性、电解质特性和可用于反应发生的电极表面积的量来确定。但电池中的电解质溶液的体积通常对电池性能不具有显著的有利影响，并因此通常在基于体积与重量的比率(功率体积比或功率重量比，和能量体积比或能量重量比)方面只会有损于电池性能。同样，过大体积的电解质可在电极之间产生更大量的间距，这会增加欧姆电阻并降低性能。