具有多级氧气压缩的金属/氧气电池组的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开内容设及电池组，并且更特别地设及基于金属/氧气的电池组。
【背景技术】
[0002] 与其他电化学储能装置相比，可再充电裡离子电池组由于其高的比能量而是具有 吸引力的用于便携式电子设备和电动及混合电动车辆的储能系统。正如W下更充分地讨论 的，典型的裡离子电池包含负电极、正电极、和在负电极和正电极之间的隔板区域。两个电 极均包含可逆地嵌入裡或与裡可逆地反应的活性材料。在某些情况下负电极可包括裡金 属，其可W W电化学的方式可逆地被溶解和沉积。隔板包含具有裡阳离子的电解质，并且用 作电极之间的物理阻挡层，使得在电池之内电极都不被电子连接。
[0003] 典型地，在充电期间，在正电极处产生电子，并且在负电极处消耗等量的电子，并 且运些电子是通过外部电路传输的。在电池的理想充电中，运些电子在正电极处产生，因为 存在通过裡离子的氧化从正电极的活性材料中的提取，并且电子在负电极处被消耗，因为 存在裡离子到负电极的活性材料中的还原。在放电期间，恰好相反的反应发生。
[0004] 当高比容量负电极、例如金属被使用在电池组中时，当高容量正电极活性材料也 被使用时，相对于传统系统容量增加的最大好处得W实现。例如，传统的嵌裡氧化物(例如， ^仿〇2，^化〇.8(：0〇.1541〇.〇5〇2，^1.1化〇.3(：0〇.3111〇.3〇2)典型地限于~28〇1114以邑的理论容量（基 于裡化氧化物的质量），及180到250mAh/g的实际容量，其与裡金属的比容量3863mAh/g相比 是相当低的。对于Li2〇,针对裡离子正电极可达到的最高理论容量为1794mAh/g(基于裡化 材料的质量）。其它高容量材料包括BiF3(303mAh/g，裡化的），FeF3(712mAh/g，裡化的），化， Al, Si, Mg,化，Fe,化等等。另外，其他负电极材料、例如多种金属的合金及例如金属氨化物 的材料在与氧气反应时也具有高比能量。运些对中的许多也具有非常高的能量密度。
[000引不幸地，所有运些材料在比传统的氧化物正电极更低的电压下与裡反应，因此限 制理论比能量。尽管如此，相较于具有裡负电极和传统氧化物正电极的电池的最大值~ SOOWhAg，理论比能量仍然很高（> SOOWhAg，该最大值可W使电动车辆一次充电能够接近 300英里或更多的行程。
[0006] 图1描绘图表10,其显示对于使用不同比能量的电池组包(batte巧pack)的车辆 可达到的行程与电池组包的重量。在图表10中，比能量是针对整个电池的，包括电池包装重 量，假设用于由一组特定的电池形成电池组包的50%重量增加。美国能源部已经确立了位 于车辆内的电池组包的200kg的重量限制。因此，只有具有大约600Wh/kg或更大的电池组包 能达到300英里的行程。
[0007] 各种裡基化学过程已经被研究W用于包括在车辆内的各种应用中。图2描述图表 20,其标识各种裡基化学过程的比能量和能量密度。在图表20中，只有电池组电池的活性材 料、集流器、粘合剂、隔板和其他惰性材料的重量被包括。包装重量、例如标签、电池外壳等 没有被包括。正如从图表20中明显的，即使考虑到包装重量，裡/氧气电池组也能够提供> 600Wh/kg的比能量，并且因此具有W类似于典型裡离子电池组的成本实现在没有再充电的 情况下超出300英里的电动车辆驾驶行程的潜力。虽然裡/氧气电池已在受控的实验室环境 中被论证，但是正如W下进一步讨论的，在完全商业引入裡/氧气电池是可行的之前留下一 些问题。
[000引一个典型的裡/氧气电化学电池50在图3中被描绘。电池50包括负电极52、正电极 54、多孔隔板56、W及集流器58。负电极52典型地是金属裡。正电极54包括可能涂覆在催化 材料(例如金或销）中并悬浮在多孔的导电的基质62中的电极颗粒、例如颗粒60。含有溶解 于有机溶剂、例如二甲酸或C出CN中的盐、例如LiPFs的电解质溶液64渗透多孔隔板56和正电 极54。LiPFs给电解质提供足够的导电率，该导电率降低电池50的内电阻W允许高功率。
[0009] 正电极52的一部分被阻挡层66包围。图3中的阻挡层66被配置用于允许来自外部 来源68的氧气进入正电极54同时过滤不期望的组分、例如气体和液体。正电极54的润湿性 防止电解质64从正电极54泄漏出来。替代地，从氧气的外部来源除去污染物和保留电池组 分、例如挥发性电解质可W从各个电池单独地执行。在电池50放电时，来自外部来源68的氧 气通过阻挡层66进入正电极54,而在电池50被充电时，氧气通过阻挡层66离开正电极54。在 运行中，在电池50放电时，认为氧气和裡离子结合W按照下面的关系式形成放电产物Li2〇2 或者Li2〇:
[0010] 典型电池50中的正电极54是一种重量轻的导电的材料，该材料具有大于80%的孔 隙率W允许在阴极体积中形成和沉积/存储Li2〇2。沉积Li2〇2的能力直接决定电池的最大容 量。为了实现比能量为600Wh/kg或更大的电池组系统，厚度为100叫!的板必须具有大约 20mAh/cm 2 的容量。
[0011] 提供所需要的孔隙率的材料包括碳黑，石墨，碳纤维，碳纳米管，W及其他非碳材 料。有证据证明运些碳结构中的每一种在电池的充电期间都经历氧化过程，至少部分地是 由于电池中的恶劣环境(纯氧，超氧化物和过氧化物离子，阴极表面上的固态过氧化裡的形 成，W及>3V的电化学氧化电势(对比Li/L〇)。
[0012] 虽然包括氧气作为正电极W及金属、金属合金或其他材料作为负电极的对有明显 的好处，但是由于各种挑战，迄今为止运些对都没有看到商业示范。与Li-氧气电池组相关 的问题的一些研究已经被进行，如例如通过W下文献所报告的：Beat t i e，S .，D. Mano 1 e SCU 和S.Blair的"高容量裡-空气阴极化igh-&pacity Lithium-Air Cathodes)"，电化学学会 杂志（Journsl of the Electrochemical Society) ,2009.156:p.A44,Kumar，B.等人的"固 态可再充电长循环寿命裡-空气电池组(A Solid-State，Rechargeable，Long切cle Life Lithium-Air Battery)"，电化学学会杂志（Journal of the Electrochemic曰I Society)， 2010.157 :p. A50 ,Read, J.的"裡/氧气有机电解质电池组的表征（化aracterization of the lithium/oxy邑en organic electrolyte battery)''，电化学学会杂志（Journal of the Electrochemical Society),2002.149:p.A1190，Read，J.等人的"有机电解质的氧气 传输特性和裡/氧气电池组的性能（Oxygen transport p;rope;rties of organic electrolytes and performance of lithium/oxygen battery)",电化