[发明专利]具有高氧气饱和度的锂-空气电池

说明书

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的二次锂-空气电池系统。

除了铅蓄电池，还尤其将锂离子电池(Li-Ionen-Batterie)和镍氢电池(Ni-MH-Batterie)作为二次电池(也就是可再次充电的电池)用于交通运输工具牵引和其它移动式电源(尤其是用于如笔记本电脑、手机等的电子设备)。这些系统的能量密度由于系统而受到限制(目前的锂离子电池：180Wh/kg；镍氢电池：80Wh/kg)。当在汽车中使用时，这些系统可达到的作用范围目前大多还在100km以下。即使能够达到这些系统理论上可能实现的能量密度，其作用范围也还是不能达到具有内燃机的交通运输工具所能达到的距离。因此，锂离子电池更适用于例如在单纯的城市交通运输工具中的短途运行，或者也可以在混合系统中与传统的内燃机或者燃料电池相结合。因此长期以来需要开发能够实现明显更远的作用范围的备选电池系统。在最大可达到的能量密度方面进一步改善的解决方案是锂-空气电池。这些电池最大可达到的能量密度在电压为2.91V时大于12000Wh/kg(参见S.D.Beatti,Journal of The Electrochemical Society156(1)A44-A47;K.M.Abraham,Journal of the Electrochemical Society143(1),S.1;JP002008112724,JP002008198590,US020080176124)。

基本的化学反应是锂与空气氧的反应：

4Li+O₂→2Li₂O(E=2.91V)

在此，在有机溶剂中该反应只进行到生成过氧化物：

2Li+O₂→Li₂O₂(E=3.1V)

然而，二次锂-空气单元电池迄今为止仍具有过小的可逆性，因此它们到现在还不能使用。迄今只有将一次(也就是不能再次充电的)锂-氧气电池成功地用于小型设备或军事用途(参见美国专利US5,510,209(1996);http://www.yardney.com/Lithion/Documents/PaprAD-JD-KMA.pdf)。

与通过水性电解质工作的一次锂-空气单元电池相反，可以通过有机电解质实现电池的可循环性，也就是通过电池反应在很大程度上的可逆性实现的可充电性能。然而，目前的锂-空气电池总是还具有有限的可逆性。有限的循环性能主要由在阴极侧使用的催化剂以及阴极的结构确定，此外也受到锂阳极的分解和钝化现象以及杂质的影响。迄今为止，每次充电/放电循环会出现在超过10%范围内的容量损失(A.Debart,Journal of Power Sources174(2007),S.1177)。由US-A2005/0175894、WO2007/062220和US6432584已知对可逆性的改善方案，其中，金属锂电极朝向隔板配设有传导离子的无机保护层(例如P₂O₅、GeO₂、TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、LiHfPO₄、NASICON(钠超离子导体：Natrium Super Ionic Conductor)、Nasiglass(钠超离子传导玻璃：Natrium Super Ionic Conducting Glass)、Li₅La₃Ta₂O₁₂或者LIPON(锂磷氧氮：Lithium-Phosphor-Oxinitrid))。保护层抑制了锂与随着反应空气进入单元电池的水发生反应，以及抑制空气中的氧气氧化锂阳极。适合作为电解质的尤其是非质子溶剂，优选也可以与具有施主性质的溶剂或者与具有受主性质的溶剂相结合。

在锂-空气单元电池中使用常见的空气电极作为阴极，空气电极例如在锌-空气单元电池或者燃料电池中使用。空气电极大多由多层组成，以疏水的多孔特氟隆/石墨层、真正的催化剂层以及大多由镍制成的导电薄膜开始。催化剂层通常是由金属氧化物例如MnO₂、多孔石墨粉以及粘合剂组成的混合物。除了MnO₂也可以使用具有Co、Fe、Mn和/或Cu的金属酞菁以及高分散的铂或铂/钌、银和氧化钌作为催化剂。