[发明专利]具有性能增强添加剂的金属-空气电池

说明书

相关申请

本申请要求2010年5月12日提交的美国临时申请序列号61/334,047的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是由能源部高级研究计划局授予的ARPA-e批准号AR0000038的政府支持下完成的。美国政府在本发明中具有一定的权利。

在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请以其全部内容通过引用并本文。

技术背景

金属-空气电池典型地包括金属燃料在其中被氧化的燃料电极、氧在其中被还原的空气电极，和用于提供离子导电性的电解质。传统金属-空气电池的显著限制因素是电解质溶液的蒸发，特别是溶剂的蒸发，如水性电解质溶液中的水。由于要求空气电极是空气可渗透的以吸收氧，所以它也可以允许溶剂蒸气如水蒸气从电池中逃脱。随着时间，由于电解质的消耗，电池变得不能有效地工作。事实上，在很多电池设计中，此蒸发问题使得电池在燃料被消耗之前不能工作。在二次(即，可充)电池中，该问题加剧，因为在电池的寿命内可以重复地再充电燃料，而电解质溶液不能(缺少从外部源的补充)。另外，在可充电池中，水溶剂通常在再充电期间被氧化以析氧，其也消耗了溶液。

为了弥补此问题，具有水性电解质溶液的金属-空气电池通常设计为包含相对高的电解质溶液体积。一些电池设计甚至引入用于从邻近储器补充电解质的装置以维持电解质水平。然而，任何方法增加了电池的总大小和电池重量，没有增强电池性能(除了确保存在大量的电解质溶液的量以弥补水或其他溶剂随时间的蒸发)。具体而言，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确定电池性能。但是电池中电解质溶液的体积通常对电池性能不会有显著的有利效果，并因此通常在基于体积和重量比率(功率比体积或重量和能量比体积或重量)方面只有降低电池性能。另外，过大的电解质溶液体积可以在电极之间产生较大量的间距，这可以增加欧姆电阻及降低性能。概要

本文提供的实施方式涉及电化学金属-空气电池，并且更具体地涉及具有离子导电介质的电化学金属-空气电池，所述离子导电介质可包括能够提高氧还原热力学、动力学、或二者的添加剂。

一个实施方式涉及电化学电池，其包含：用于氧化金属燃料的燃料电极；包含正离子和负离子的低温离子液体；氧还原增强化合物，其被添加低温离子液体中以形成氧还原增强正离子，其中所述氧还原增强正离子与一个或多个负离子配位形成氧还原增强正-负离子络合物；和配置用于吸收和还原氧的空气电极，其中，相比于没有氧还原增强化合物的离子液体，所述氧还原增强正-负离子络合物提高了氧还原热力学、动力学或二者。

一个可选的实施方式涉及一种方法，其包含：将氧还原增强化合物与低温离子液体混合以产生包含氧还原增强正-负离子络合物的溶液；将所述溶液暴露于氧；和电化学还原所述氧。

另一个实施方式涉及电化学电池，其包含：用于氧化金属燃料的燃料电极；包含正离子和负离子的低温离子液体；添加到低温离子液体中的局部氧化物形成促进化合物，所述局部氧化物形成促进添加剂溶于低温离子液体以形成局部氧化物形成促进正离子，其中局部氧化物形成促进化合物的所述正离子与一个或多个负离子配位形成局部氧化物形成促进正离子-负离子络合物；和配置用于吸收和还原氧、以及储存所述金属燃料的氧化物的空气电极；其中，相比于没有局部氧化物形成促进化合物的离子液体，所述局部氧化物形成促进正离子-负离子络合物提高了在放电过程中在所述空气电极上所述金属燃料的氧化物的形成与储存。

另一个实施方式涉及电化学电池，其包含：用于氧化金属燃料的燃料电极；离子导电介质，其包含至少一种非质子型离子液体和至少一种质子型离子液体，所述质子型离子液体每离子对包含至少一个可用的质子；和配置用于吸收和还原氧的空气电极。

一个可选的实施方式涉及一种方法，其包含：将质子型离子液体与非质子型离子液体混合以产生包含负离子和正离子的离子导电介质，其中至少一个正离子是质子；将所述离子导电介质暴露于氧；和电化学还原所述氧。

另一个实施方式涉及电化学电池，其包含：用于氧化金属燃料的燃料电极；离子导电介质，其包含至少一种非质子型离子液体和至少一种质子型离子液体，所述质子型离子液体包含至少一个质子；配置用于吸收和还原氧、以及储存所述金属燃料的氧化物的空气电极，其中，相比于没有所述质子型离子液体的离子导电介质，所述质子提高了在放电过程中在所述空气电极上所述金属燃料的氧化物的形成与储存。

附图说明