[发明专利]锂氧电池

说明书

本发明是由美国政府支持在美国能源部授予的主合同DE-AC02-05CH11231之下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。

相关申请

本案要求享有2015年7月20日提交的GB1512726.9的优先权和权益，以其全部内容通过引证结合于本文中。

技术领域

本发明提供了用于锂氧电池的充电和放电的方法，以及用于这种方法的锂氧电池。

背景技术

可充电的非水性Li-氧(O₂)电池在过去的十年中引起了相当大的兴趣，因为它们比传统的Li离子电池具有高得多的理论比能量(Girishkumar et al.；Bruce et al.；Lu,et al.)。典型的Li空气电池由Li金属负电极，非水性Li⁺电解质和多孔正电极构成。在放电期间，O₂被还原并与正电极上的Li⁺结合，形成填充多孔电极的不溶性放电产物(通常为Li₂O₂)(Mitchell et al.；Adams et al.；Gallant et al.2013)。多孔电极不是活性材料，而是一种容纳反应产物的导电性的稳定框架。因此，较轻的电极材料是有利的，从而提供较高的比能。在充电期间，需要彻底去除先前形成的放电产物，以防止电池在几个放电-充电循环之后就受到抑制，电极孔隙迅速被放电产物和来自有害副反应的产物堵塞(参见，例如，Freunberger et al.J.Am.Chem.Soc；McCloskey et al.J.Phys.Chem.Lett.2011；Freunberger et al.Angew.Chem.Int.Ed.；McCloskey et al.2012；Gallant et al.2012；Ottakam Thotiyl et al.J.Am.Chem.Soc.；Leskes et al.)。

几个基本的挑战仍然限制了锂Li-氧电池的实际实现(Girishkumar et al.；Bruce,et al.；Lu,et al.)。第一个涉及Li-氧电池的可逆容量(以及因此的能量密度)。这由多孔电极的孔隙体积决定，其既限制了放电产物的总量又以及放电产物晶体可以生长多大。目前还远未达到的极限容量在理论上会在放电产物的大单晶生长而占据正极的整个几何体积的极端情况下达到。

本领域常用的介孔Super P(SP)/科琴碳电极具有相对小的孔径和体积，其结晶放电产物尺寸通常小于2μm(Girishkumar et al.；Bruce et al；Zhai,et al.)；这会将容量限制为<5000mAh/g_c(通常基于1mg碳和粘合剂为至1.5mAh)(Freunberger et al.J.Am.Chem.Soc；McCloskey et al.J.Phys.Chem.Lett.2011；Freunberger et al.Angew.Chem.Int.Ed.；McCloskey et al.2012；Ottakam Thotiyl et al.J.Am.Chem.Soc.；Leskes et al.)。另外，使用较小的孔隙会导致孔隙堵塞，阻碍O₂和Li⁺的扩散，并在循环期间导致较高的超电势。