[发明专利]非水锂-空气电池

说明书

本发明涉及一种非水锂‑空气电池。还提供一种锂‑空气电化学单元。该电池包含:阳极隔间；阴极隔间；分隔阳极隔间和阴极隔间的锂离子导电膜。阳极隔间包含具有锂，锂合金或能吸收和释放锂的多孔材料的阳极和锂离子电解质，同时阴极隔间包含空气电极、能够支持氧还原的离子液体和溶解浓度的钾超氧化物。在阴极隔间中锂离子浓度相比钾离子的浓度低。

技术领域

本实施方案针对具有高容量和循环效率的锂空气电池。

背景技术

锂离子技术主占着用于小型电子设备，甚至混合动力电动汽车的能源市场。然而，锂离子电池具有作为用于能够运行电动汽车的未来大容量一代能源的电源的不足理论容量。

已经在调查金属-空气电池作为对机动车辆提供动力持续可与目前基于烃的燃烧发动机相比的潜力的一代先进的高容量能源。在金属-空气电池中，阳极的金属被氧化，产生的阳离子行进到包含多孔材料如碳的基质的阴极区，例如氧在此得到还原，且氧化物或过氧化物形式的还原产物与金属阳离子结合以形成放电产物。理想地，在充电时该过程逆转。认识到金属-空气电池具有优于金属离子电池的潜在优势性能，因为可以从环境空气大气获得阴极材料，氧，且电池的容量在理论上将由阳极金属的供应限制。因此，会从电池外部不断提供氧气，且电池容量和电压将依赖于氧还原性质和形成的放电产物的化学性质。

与常规锂离子电池相比，锂空气电池具有供应5-10倍的能量密度的潜力，且作为后锂离子电池技术已吸引了很多的兴趣和发展关注。例如，理论上形成Li₂O₂作为放电产物的非水锂空气电池将提供3038Wh/kg，与具有Li_0.5CoO₂阴极产物的锂离子电池的600Wh/kg形成对比。然而，在实践中，金属空气技术且特别是当前的非水锂空气电池遭受抑制理论容量获得的许多技术问题。

锂空气电池的容量高度依赖于阴极基质存储Li₂O₂放电产物的容量。Li₂O₂一般不溶于用于金属空气电池的常规非水溶剂。因此，在阴极基质处形成时，Li₂O₂沉淀和填充阴极基质的表面孔隙度，有效地阻止了到达基质的内部区域的空缺容量。此外，Li₂O₂是绝缘体，一旦涂覆基质的表面，就抑制氧还原且放电终止，即，相比理论容量，电池的容量严重降低。

常规用来提高锂-空气电池的容量的一个方法是使用具有高表面积的电子导电支持体，例如炭黑作为阴极材料。然而，尽管增加了表面积，阴极表面变得由绝缘Li₂O₂产物的积累所覆盖，导致放电反应的结束。因此，这并不是改善容量的最终方案。

在2015年7月22日提交的美国申请14/337，432中，申请人描述了通过如下方式对于提高容量的问题的不同方案：由锂离子导电陶瓷膜将电池分为阳极隔间和阴极隔间，和以离陶瓷膜最小的距离在空间安排空气阴极以减少阴极表面处的锂离子浓度。

尽管有上述和技术界的重要持续努力，但仍然存在开发和生产有效、安全、成本效益、高容量的锂空气电池的需要，其特别对于驱动车辆到至少等于或与当前烃燃料系统竞争的距离有用。

发明概述

这个和其他目的通过本申请的公开来解决，其实施方案包括锂空气电池，该锂空气电池包括:

包含阳极的阳极隔间，该阳极包含锂、锂合金或能够吸收和释放锂的多孔材料；

包含空气阴极、O₂源、锂盐和离子液体的阴极隔间；和

分隔阳极隔间和阴极隔间的锂离子选择性膜；

其中阴极隔间包含溶解在离子液体中的钾超氧化物。