[发明专利]含有给质子芳族化合物的固态电化学电池

说明书

本发明涉及一类可作为能将化学能转变成电能的电池能源使用的电化学电池。更具体地说，本发明涉及一种通过使用固态质子传导电解质来将化学能转变成电能的电池。

一种含有固体电解质而不含液体电解质的可再充电的电池已被得到发展，因为这种电池显示出实际的优点，例如可以避免漏液或干枯。然而，这类电池通常采用诸如钯(参见美国专利US4,894,301)等昂贵的金属或对健康有害和难以制造的合金作为电极。

本发明提供一种含固态质子传导电解质的电池，这种电池使用的阳极不含金属或合金而是含一种给质子芳族型化合物，这样既能达能固体电解质的优点，又能避免含金属阳极的缺点。

从而，根据本发明，提供了一种包含一个阳极、一个阴极和一种固态质子传导电解质的电池，该固态质子传导电解质处于阳极与阴极之间并与它们相接触，其中：

(a)该阳极包含一种由给质子芳族型化合物组成的材料；

(b)该阴极包含一种受质子的化合物；以及

(c)该电解质是一种固态质子传导材料。

在本发明的电化学电池的一种电化学可再充电的模式中，阳极和阴极的活性材料应经过特殊选择，以使得在电化学反应中，固体阴极活性成分至少能部分可逆地与氢离子反应，而固体阳极活性成分则能够提供氢离子，从而在电池放电时产生电能以及在对已经放电的电池进行充电时至少能接受一部分的氢离子。

虽然一种由氢醌可逆地离解成苯醌、质子和电子，以及亚甲蓝被氧化而生成质子和电子的电化学反应是已知的，然而这些反应都是利用氢醌或亚甲蓝作为溶解于一种液体电解质中的物质来进行。在利用固体电解质的电化学反应中，应用氢醌和其他类似的含羟基芳族型基团的化合物与亚甲蓝以及其他类似的给质子芳族型化合物作为质子传导介质，特别是在固态电池的应用中作为阳极，在先有技术中是未知的。

在诸如镍/金属氢化物电池等基于质子反应的常规电池中，氢是作为氢化物被贮存于贮氢合金或贮氢金属中并在电化学反应中被转变成质子。这些质子就转移到处于液体电解质中的阴极上。

已知有许多芳族氢氧化还原物质可溶于液态或非液态电解质中作为氧化还原偶合。在本发明中的一个区别特征是，它们被用作固态的氢离子源以及质子在一种固态质子传导电解质中被输送。

本发明的芳族型氢离子源材料不同于过去已知的贮氢化合物，例如PdHx(美国专利US4,894,301)以及金属合金氢化物，例如LaNi4.7Al0.3(J.Electrochem.Soc.,Vol.134,1987,P.558,T.Sakai,et al.)，或MmNi_3.5Co_0.7Al_0.8(Mm=铈合金，其原子百分比为：La-25.4,Ce-53.6,Pr-5.4,Nd-15.6,J.Electrochem.Soc.,Vol.139,1992,P.172,N.Kuriyama,et al.)。具有类似作用的组合物也是已知的，例如MmNi_3.6Co_0.7Al_0.3和以不同化学计算比例含有V、Ni、Ti、Zr和Co的合金(美国专利US5,135,589)。先有技术电极的缺点是，使用诸如Pd等昂贵的金属或象Ni、Co或稀土金属等对健康有害的金属。另一个缺点是，为了达到适当组成的贮氢合金电极，要求使用复杂的冶金技术和昂贵的制造工艺。另外，该先有技术的氢化物电极用于一种使用液体电解质，通常为KOH水溶液的电池中。

现有金属/氢化物电池的某些其他缺点(参见例如A.Visintin,in Electrochem.Soc.,vol.139,1992,P.985)是高的自放电速度以及低的体积能量密度。另外，由于它们具有氢气的分压，因此可能引起危及安全的问题。而且，由于这些电池是在加压下，在某些情况下在30-50个大气压的内压下操作，因此电池的组装是复杂的，其制造成本是昂贵的。

本发明具有常规金属/氢化物电池所没有的优点。例如，在本发明的电池中没有液体电解质，因此不存在电池漏液和干枯的问题，并且在两个电极之间也不用隔膜。另外，由于电池在大气压下操作，因此电池的设计和组装都比较便宜、简单和安全。而且，由于该电池不含氢气，所以这种电池本身是较安全的。

其他的优点包括，不用昂贵的贮氢材料以及不需要象先有技术那样在加压的氢气中使金属氢化物负载。