[发明专利]一种高性能金属空气电池及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高性能金属空气电池及其应用。

背景技术

在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重的今天，电动汽车能降低温室气体和有害烟尘的排放，其开发和应用越来越受到人们的广泛关注。为了实现可持续发展，开发和利用新能源已成为世界各国的重要战略目标。其中，电化学能源因其能量转换效率与能量密度高、无噪声污染、可随意组合和移动的优点，成为最重要的研究课题之一。化学电源在高科技器件、绿色低能耗运输和可再生能源等方面得到了开发和利用。

与此同时，电子技术的发展，其功能越来越多，在使用过程中所消耗的能量也越来越多，因此也迫切需要高能量密度的化学电源。

军事技术的发展也迫切需要武器小型化或者轻量化，而这些也需要高能量密度的化学电源。

金属锂由于具有质量密度低，能量密度高，电极电势最负(-3.046V)及电子电导高等特点，近几十年来，以它为基础发展的锂电池已成为了电化学能源中研究与应用的重点(参见：吴宇平，袁翔云,董超,段冀渊.《锂离子电池—应用与实践》，化学工业出版社，2012年)。目前，商品化锂离子电池已在小型的移动储存设备中得到了广泛的应用。但是锂离子电池的能量密度有限，不超过350Wh/kg；其安全性能非常差，主要是锂离子电池必须使用非水易燃的有机液体电解质，这也是电动汽车起火的关键原因。这两个方面制约着锂离子电池的进一步发展。

为了克服锂离子电池的上述两个方面的问题，国内外开展了许多新型化学电源的研究和开发，例如锂-空气电池、锂-硫电池采用锂离子传递的电解质(参见Peter Bruce等，Nat.Mater.，2012年，第11卷，第19-29页；中本博文，用于锂-空气电池的电解质溶液，中国发明专利申请号：201410114539X，申请日期2014年3月25日；黄雅钦等，一种锂硫电池正极极片及其制备方法，中国发明专利申请号：2007101224442，申请日：2007年9月26日)，钠硫电池、ZEBRA电池、钠-空气电池采用钠离子能够传递的电解质(参见贺繁等，一种新型钠硫电池及其隔膜的制备方法，中国发明专利申请号：2015100275742，申请日：2015年1月20日；尹文文等，一种添加碘化钠的钠空气电池及制备方法，中国发明专利申请号：2014107843840，申请日：2014年12月18日)，锌-空气电池采用能够传递锌离子的碱性溶液(参见徐献芝等，一种带有微孔膜的锌空气电池，中国发明专利申请号：2013101265880，申请日：2013.04.12)。然而，上述电池均是采用传递阳离子电解质的金属电池，它们的商品实用化之路仍然漫长。

另外，目前公开的高能量密度金属空气电池如锂-空气电池、钠-空气电池(参见中本博文，用于锂-空气电池的电解质溶液，中国发明专利申请号：201410114539X，申请日期2014年3月25日；尹文文等，一种添加碘化钠的钠空气电池及制备方法，中国发明专利申请号：2014107843840，申请日：2014年12月18日)中空气正极的反应如下：

其产物过氧化物很容易与来自空气中的水分或者二氧化碳发生副反应，导致上述反应(1)不可逆或者充放电效率大幅度下降，电池循环性能劣化；同时，氧的利用效率低，产物主要为氧为-1价的过氧化物，而不是-2价的氧化物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能金属空气电池及其应用，以克服采用有机电解液的锂离子电池、锂-空气电池、钠-空气电池等的易燃性问题；同时克服它们的能量密度有限的问题。另一方面还克服高能量锂-空气电池、钠-空气电池空气电极过氧化物易与空气中的水分、二氧化碳等发生副反应而导致的充放电效率低、循环性能差的问题。

本发明提供的一种金属空气电池，由固体电解质、负极、正极组成，其特征在于：

(1)所述固体电解质为氧离子能够可逆传递的无机固体或者含有这类无机固体的复合物、混合物或者掺杂物；

(2)所述负极的标准氧化还原电位低于0V的金属或含有这类金属的合金、复合物；

(3)所述正极为来自空气或者其它来源的氧。

本发明提供的高性能金属空气电池，其结构示意如图1，发生的电化学反应如下：

负极反应：

正极反应：

整个电池反应：