[发明专利]用于对通过金属-空气电池组的电能进行管理的方法和相关联的电池

说明书

本发明涉及一种用于对通过包含电池(100)的金属‑空气电池组(200)的电能进行管理的方法，并且涉及相关联的电池，所述电池包含负电极(10)、被称为空气电极的第一正电极(20)和被称为电力电极(power electrode)的第二正电极(30)。电池进一步包含第三正电极(40)。在第一充电阶段(521)中，向电池施加充电电压，这一电压引起电流在负电极与第二正电极之间行进，第一和第三正电极电学上非活动。在第二充电阶段(520)中，充电电压引起电流在负电极与所述第三正电极之间行进，第一和第二正电极电学上非活动。

技术领域

本发明涉及金属-空气电池组的领域，并且更确切地说，涉及用于对在充电和放电阶段期间通过这些电池组的电能进行管理的方法。本发明同样很好地涉及单个金属-空气电池或涉及形成电池组的一组电池。

背景技术

金属-空气电池组电池通常由基于例如锌、铁或锂的金属的负电极联接到空气电极组成。这两个电极通常与含水碱性电解质接触。

在这类电池组的放电期间，氧气在正电极处还原，并且金属在负电极处氧化：

在负电极处放电：M→Mⁿ⁺+ne^-

在正电极处放电：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

金属-空气系统的优点在于使用无限容量的正电极，因为在正电极处消耗的氧气不需要储存在电极中，而是可从环境空气中取得。金属-空气类电化学产生器因其高比能量而闻名，所述比能量可达数百瓦时/千克(W-h/kg)。

空气电极例如用于碱性燃料电池中，这与其它系统相比是特别有利的，因为电极处的反应动力学高，并且不存在例如铂的贵金属。

空气电极是与液体电解质接触的多孔固体结构，通常是碳粉。处于空气电极与液体电解质之间的介面是所谓的“三重接触”介面，其中电极的活性固体材料(这种电极通常进一步包含催化剂)、气态氧化剂(意味着空气)以及液体电解质同时存在。空气电极通常由具有高表面积的碳粉构成，提供了较大反应表面积，并且因此相对于电极的几何表面积具有高电流密度。较大反应表面积有利于补偿气态氧气密度与液体密度之间的差异。举例来说，与密度为55摩尔/升的水相比，空气中氧气的摩尔密度是约0.03摩尔/升。碳的较大表面积使得空气电极中的反应位点有可能倍增。

对锌-空气电池组的不同类型的空气电极的描述例如描述于V.Neburchilov等人,名称为“对锌-空气燃料电池的空气阴极的综述(Areview on air cathodes for zinc-airfuel cells)”,《电源杂志(Journal of Power Sources)》195(2010)第1271-1291页的文献文章。

当金属-空气电池组需要再充电时，电流的方向是相反的。氧气在正电极处产生，并且金属在负电极处通过还原而再沉积：

在负电极处再充电：Mⁿ⁺+ne^-→M

在正电极处再充电：4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-

空气电极未被设计成以相反方向使用，并且倾向于通过在氧气产生期间形成的液压而受到机械破坏。这种液压通常造成构成空气电极的碳粉粒之间的接合断裂。这种劣化缩短电池组的寿命。

另外，当对电池组进行充电时，向空气电极中添加以改进氧气还原反应的能效的催化剂在反向氧化反应所需的电势下劣化。在氧气存在下通过碳的氧化对碳进行的腐蚀也在较高电势下加速。