[发明专利]电极和电化学器件以及制造电极和电化学器件的方法

说明书

描述了包含类钻石碳的双用气体扩散‑析气电极，其可以在放电期间用作气体扩散电极，并在再充电期间用作析气电极。所公开材料的电极是电化学鲁棒性的，抑制多步反应，并具有高的、各向同性的热导率。所公开的电极可以用作可再充电金属‑空气电池的空气电极。

相关申请

本申请要求于2014年12月3日提交的、目前未决的62/086,717号美国临时专利申请的优先权。

背景技术

金属-空气电池，特别是锂-空气，被认为是电池研究的诱人的目标。将大气中的氧用作一次或二次电池中的反应物之一会带来很多好处。这些包括更大的实际能量密度，充满电时提高的安全性，以及在制造中对原材料减少的需求。

然而，到目前为止，还没有技术能充分解决金属-空气电池的主要问题，具体地，空气电极的问题。环境温度下大气氧气的减少可能导致部分还原产物，例如过氧化物、超氧化物、过氧化氢自由基和/或羟基自由基，其可能会损害电池的其他部件。克服反应的缓慢的反应动力所需要的过电势可能导致电池的一些储存能量作为热量被释放，这是很实际的以及安全的考虑。给这样的电池充电可能甚至更加有问题。与放电相比，影响例如再充电中的过氧化物的氧化所需要的过电势可能会给电极带来更高的、更有破坏性的电势。

因为为电池充电要求影响金属氧化物(例如，过氧化锂)的氧化所需要的过电势高于反应所需的平衡电势，所以其他问题可能会产生。这样的高电势(与标准的氢电极相比通常大于1伏特)可创建高反应性的氧化性环境，其会损伤空气电极、电池溶剂、电解质和/或组成电池的其他材料。进一步的难题可包括可能由该过电势产生废热，其创建甚至更可能促进有害副反应的环境，破坏电池和/或缩短其使用寿命。由于这样的现象，高能量密度金属-空气电池(例如锂空气和钠空气电池)尚未实现它们的全部预期。

附图说明

具体的例子为了说明和描述的目的而被选择，并在附图中显示，形成说明书的一部分。

图1示出了本技术的双用气体扩散-析气电极的一个例子。

图2示出了本技术的电化学电池单元的一个例子的部件分解图。

图3a示出了本技术的电池的一个例子，其中电化学电池单元并联连接。

图3b示出了本技术的电池的一个例子，其中电化学电池串联连接。

图4示出了在二甲基亚砜中的0.1M硝酸锂中的石墨、铂、玻璃碳和硼掺杂的钻石电极的循环伏安图。

图5是以锂空气电化学电池为例的充电和放电期间随时间变化的电池单元电势曲线图。

图6是制造本技术的双用气体扩散-析气电极的一个方法的流程图。

图7示出了合并本技术的双用气体扩散-析气电极的电化学电池单元的例子。

具体实施方式

本技术涉及用于电池的电解单元或燃料电池的新型电极，以及相关的电解池，并且更具体地涉及双用气体扩散-析气电极。还描述了制造本技术的这种电极和电解池的方法。

在本说明书和所附的权利要求中，以下术语有如下所阐述的含义，其被认为是与本领域技术人员会对这些术语所理解的一致:

过电势：在某速率下驱动反应所需的超出热力学平衡的额外电势。过电势是绝对量，并且对于任何电极，驱动无论是氧化还是还原方向上的反应，在某种程度上是需要的。

内球反应(inner-sphere reaction)：电极与在反应中间物或产物与电极具有强相互作用的种类(species)之间的反应。这种反应包含参与电极反应的种类的特定吸附。内球反应还可包含作为对金属离子的配体桥的特别吸附的离子或配合基。