[发明专利]具有改善的电解质的镁电池

说明书

技术领域

本发明涉及具有包含镁或镁合金的阳极和优选地包含二硫化铁和电解质的阴极的镁电池，所述电解质中具有延迟镁阳极表面上有害钝化层积聚的添加剂。

背景技术

已经对金属/空气电池进行了多年的研究。锌/空气电池最广为人知并且应用最广泛。最常用的形式是作为电子助听器电源的小纽扣电池。由于存在去极化剂，即真正的阴极材料是正常进入的空气，电池就其尺寸而言具有高容量和高能量密度。细胞的阳极通常由用碱性电解质的水溶液润湿的锌粒形成。阴极材料通常包含少量的二氧化锰颗粒、石墨和炭黑的混合物，该混合物催化进入的空气和锌的电化学反应。阳极反应为Zn+2(OH)^-1＝ZnO+H₂O+2e。阴极反应为1/2O₂+H₂O+2e＝2(OH)^-1。该电池的总反应为：Zn+1/2O₂＝ZnO。虽然碱性电解质水溶液(通常为KOH水溶液)具有高离子导电性并且是系统优异的电解质，但是使用该含水电解质时存在一些缺点。虽然在电化学反应中不消耗或产生净水，但是主要的缺点是一旦使空气进入电池而活化电池，该电池活化寿命非常短。这是由电解质和空气之间的相互作用引起的，因为电池工作的大气湿度条件也是一个因素。在低湿度环境中，电解质中的水趋于蒸发到环境中，从而引起“变干”现象。在高湿度条件下，大气中的水蒸汽趋于进入电解质，从而引起“变湿”现象。这两种情况都影响电池性能并缩短电池的活化寿命。除了大气二氧化碳进入电池内部外，它还将逐渐与含水的KOH电解质反应以形成碳酸钾，K₂CO₃。碳酸盐的形成妨碍所期望的电池性能的获得。此类潜在的问题不限于锌/空气电池，而是将涉及使用含水碱性电解质的任何金属/空气电池。

已经开发出了使用镁合金材料的阳极和包含二氧化锰和乙炔黑以及含水电解质的阴极的镁一次(不可再充电的)电池。可将该电池称为一次Mg/MnO₂电池。含水电解质是碱性电解质，它可包含具有钡和锂的铬酸盐的高氯酸镁和氢氧化镁以作为腐蚀抑制剂。该电解质是含水电解质并且其中的水量是重要的，因为水参与阳极反应并且在电池放电期间被消耗。参见例如David Linden，Handbook of Batteries，第二版(1995)，McGraw Hill，p.9.2-9.3。在电池放电期间阳极中的镁金属与来自碱性电解质的氢氧化物(OH)^-离子反应导致生成氢氧化镁Mg(OH)₂沉淀。阳极反应为Mg+2(OH)^-＝Mg(OH)₂+2e。阴极反应为2MnO₂+H₂O+2e＝Mn₂O₃+2(OH)^-。电池的总反应可被描述为Mg+2MnO₂+H₂O＝Mn₂O₃+Mg(OH)₂。Mg(OH)₂不溶于碱性电解质并且当电池放电时趋于在镁阳极表面上形成不溶解的钝化膜。所述膜钝化电池的电化学活性。即，镁阳极表面上的Mg(OH)₂膜当使用电池时持续延迟电化学放电反应的动力学，因为钝化层在电池使用期间以及甚至在贮藏期间持续在镁阳极表面上形成。所得效应是电池不发挥其潜能，从而导致显著的容量和功率损失。因为这一问题，所述电池尚未普遍使用。