[发明专利]电极和包括电极的储能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极，如尤其是气体扩散电极。本发明尤其是涉及一种用于金属氧气蓄电池的气体扩散电极和一种包括该气体扩散电极的金属氧气蓄电池。

背景技术

为了减少排放，诸如机动车的局部排放，目前加强发展混合动力驱动概念或者纯电气驱动概念。发动机和电动机运行中的电机运行的前提是车辆中的电储能器。

为了例如相对于传统的锂离子电池改善储能器的能量密度或能函，金属氧气电池或金属氧气蓄电池是有成功希望的。在此例如已知锂空气电池和锌空气电池，利用它们已经能够实现高的能量密度。

用于这种金属空气电池的常见的气体扩散阴极具有导流体，该导流体可以是铝延性金属或者多孔的镍泡沫。作为活性材料可以将碳/粘合剂混合物置入到导流体中。这例如可以通过挤压或者通过超声波的渗透来进行。

气体扩散电极的制备因此目前大多通过施加膏体来进行，该膏体可以具有碳、粘合剂和添加剂。膏体被施加到镍泡沫上或者替代地施加到延性金属、诸如铝上。镍泡沫为此例如可以置入到膏体中，其中在超声波处置的情况下金属泡沫的孔——大多在0.5－1.0mm的数量级——充满。为了给延性金属镀层施加含碳的增附剂。真正的活性膏体被延展到聚合物膜上并且在再层压过程中通过热方式被转入到延性金属中。由此在如此制成的阴极结构的情况下活性层在整个厚度上分布。因此，电化学碳减少在碳/阴极的界面处以及在电解质/阴极的界面处发生。

利用传统的金属碳蓄电池，可以有关包括碳、粘合剂和其他添加剂的活性阴极物质实现700-800mAh/g范围内的容量。但是在此常常根据电池构造有时在几个充电/放电循环之后容量就可能已经下降至约300mAh/g和以下。

发明内容

本发明的主题是一种电极，尤其是一种用于金属氧气电池的气体扩散电极，包括多孔的载体衬底，在该载体衬底上布置有多孔的活性材料，其中所述电极在载体衬底和活性材料之间具有平均孔大小的梯度。

在本发明意义下的活性材料可以尤其是理解为如下材料，其例如在基于锂的蓄电池中使用本发明电极的情况下可以可逆地接纳和输出锂离子。接纳在此情况下例如可以通过所谓的插入或者通过形成合金或形成亚稳的化学化合物来进行。关于其他物质的相应活性在此可以在另外使用尤其是其他蓄电池的情况下给出。

载体衬底可以在本发明的意义下尤其是理解为如下衬底，其尤其是赋予了一大部分机械稳定性并且例如可以用作为基元件。

多孔的活性材料或多孔的载体衬底可以在本发明的意义下尤其是理解为如下活性材料或载体衬底，其尤其是具有打开的孔，也即尤其是构造有打开的多孔性并且因此气体可通过。

载体衬底和活性材料之间的平均孔大小的梯度可以在本发明的意义下尤其意味着，活性材料的平均孔大小大于载体衬底的平均孔大小。在此，孔大小可以连续改变、也即存在孔大小的连续变化，或者可以设置跳跃性的变化。这例如可以意味着，活性材料中的孔大小和载体衬底中的孔大小分别统一并且在活性材料和载体衬底之间的边界处存在跃变。

通过活性材料和载体衬底的孔大小或孔大小分布的根据本发明的梯度，产生如下的电极结构，在该电极结构中，输送气体的层、也即尤其是载体材料与反应层或反应空间、也即尤其是活性材料分开。这种分开可以根据本发明尤其是通过以下方式来进行，即尽管气体可以流过载体衬底的较小的孔，但是另一反应伙伴——如尤其是活性材料或者其一部分——不能渗入到载体衬底的孔中。通过气体输送和反应空间的这种分隔，诸如可以阻止气体从电极外部进入到载体衬底中并且从那里流向活性材料或流入到活性材料中。通过载体衬底和活性材料之间的平均孔大小的梯度，活性材料的反应基本上仅仅在反应空间中发生，该反应空间位于活性材料中并且在使用液态电解质的情况下例如可以被电解质浸湿，或者所述活性材料的反应在活性材料的孔中发生。

根据本发明可以通过如下方式阻止或者至少明显地减小或延迟：可通过载体衬底的孔形成的气体入口通道被例如在充电或放电过程期间形成的反应产物变窄或完全堵塞。换句话说，载体衬底中的气体入口通道或孔可以在完全的充电循环或放电循环期间保持其例如在用作为金属气体电池中的气体扩散电极时的气体输送特性。反应位置处的氧气供给因此也可以在越来越多地形成反应产物的情况下更长地或者甚至完全地保持，这尤其是可以在涉及阴极镀层的情况下导致可用放电容量的提高。由此可以改善最大阴极容量的充分利用以及增大循环耐性。