[发明专利]用于先进的金属-空气蓄电池的催化剂体系

说明书

本公开大体上涉及蓄电池。本公开更确切地说涉及用于金属‑空气蓄电池的改进的催化剂体系。本文公开了一种金属‑空气蓄电池，所述金属‑空气蓄电池包括：包含金属的阳极；包含至少一种过渡金属二硫属化物的阴极；以及与所述阳极和所述阴极的过渡金属二硫属化物接触的电解质，其中所述电解质包含至少50重量％的离子液体。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月14日提交的美国临时专利申请号62/091,585的优先权益，该美国临时专利申请在此以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开大体上涉及蓄电池(battery)。本公开更确切地说涉及用于金属-空气蓄电池的改进的催化剂体系。

背景技术

金属-空气蓄电池(例如锂-空气蓄电池)由于它们的高能量密度而被认为是用于未来储能系统的先进的解决方案。举例来说，锂-空气(Li-空气)蓄电池可以具有约11680Wh/kg的能量密度，这接近于汽油的能量密度(约13000Wh/kg)并且比Li-离子蓄电池的能量密度(200Wh/kg)要高得多。这样的高能量密度大部分是因为使用来自空气的氧气而不是依赖于内部储存的氧化剂。在根本上，Li-空气蓄电池的能量密度和可再充电性取决于阴极处的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的速率以及它们相应的过电位。许多催化剂，如碳纳米材料、贵金属、以及金属氧化物已经被用作用于蓄电池应用的催化剂。在这些当中，掺杂碳纳米材料(例如石墨烯、碳纳米管)已经表现出显著的用于氧还原反应(ORR)的性能，但是在充电过程期间的降解和对析氧反应(OER)不良的催化活性妨碍了它们的ORR特征的益处。不含碳的催化剂，如贵金属和金属氧化物(例如Co₃O₄)已经显示出高稳定性和优越的ORR性能或OER性能，但是通常不是两者兼有，并且此外是一种相当高成本的解决方案。最近，包含不同贵金属的复合催化剂已经被用于开发同时增强ORR和OER这两者的高效的双功能催化剂，但是这些也是一种高成本的替代方案。

改进金属-空气蓄电池以提高能量密度和可再充电性能并且降低成本在本领域仍是一项挑战。

发明内容

本公开提供了改进的金属-空气蓄电池，所述蓄电池以降低的成本具有提高的能量密度和可再充电性能。在某些方面，本公开改进了使用包括至少一种过渡金属二硫属化物的阴极操作的金属-空气蓄电池。在某些方面，本公开的方法可以降低操作和资本成本，同时维持或甚至提高能量密度和可再充电性。不受具体理论所束缚，认为在TMDC封端的边缘(如Mo封端的边缘)上可用的高密度的d电子可以参与ORR电化学还原反应，在一些实施方案中，与贵金属相比，产生优越的催化性能。此外，不受具体理论所束缚，认为过渡金属二硫属化物和离子液体充当双功能助催化剂体系，从而表现出强协同作用。在某些实施方案中，本公开的金属-空气蓄电池与现有的贵金属催化剂相比表现出显著更高的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)性能。

因此，在一个方面，本公开提供了一种金属-空气蓄电池，所述金属-空气蓄电池包括：

包含金属的阳极；

包含至少一种过渡金属二硫属化物的阴极；以及

电解质，所述电解质与所述阴极的过渡金属二硫属化物接触，并且任选地与所述阳极的金属接触，

其中所述电解质包含至少1％(例如至少10％、至少20％、至少30％或至少50％)的离子液体。

本公开还提供了产生电位的方法，所述方法包括：

提供如本文所述的金属-空气蓄电池；

使氧气接触所述阴极；

使所述阳极的金属氧化成金属离子；以及

使所述氧气在所述过渡金属二硫属化物的表面还原以与所述金属离子形成一种或多种金属氧化物，