金属-气体蓄电池系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本公开内容涉及蓄电池，特别是金属-气体基蓄电池，其中由燃机供应反应气体。
[0002]锂(Li)-空气蓄电池是金属-空气蓄电池化学的一种形式，其采用锂在阳极的氧化和氧在阴极的还原来产生电流。与其它类型的锂电池相比，L1-空气锂电池具有高的能量密度。能量密度是给定体积的锂电池能够存储的能量的量的度量，L1-空气蓄电池的能量密度比其它类型的电池更接近传统的汽油动力发动机。L1-空气蓄电池通过采用来自空气的氧替代存储在内部的氧化剂来实现高的能量密度。
[0003]L1-空气蓄电池的相对高的能量密度使得L1-空气蓄电池成为用于机动车应用的有吸引力的候选者。汽油的能量密度为约13kWh/kg，当计入损失时，这对应于提供给车辆车轮的1.7kffh/kg的能量。排除氧气的质量，锂-空气蓄电池的理论能量密度为12kWh/kg，当计入过电位、其它电池组件、蓄电池组辅助设备及比燃机更高的电机效率时，其对应在车辆车轮处的1.7kffh/kg的理论实际能量密度。因此，L1-空气蓄电池提供了与气体驱动燃机类似的驱动车辆的传动系统的能力。
[0004]锂-空气蓄电池的运作通常由锂在阳极处被氧化形成锂离子和电子来表征。电子通过外部电路电力做功，且锂离子迀移穿过电解质以在阴极还原氧。当外加电位大于用于放电反应的标准电位时，锂金属在阳极上析出，在阴极处产生氧气02。由电化学电位在阳极处产生的反应促使锂金属依照氧化来释放出电子。半反应为Li —— Li++e。图1A显示了现有技术的L1-空气蓄电池的充电循环，其中电子向阳极迀移，且氧在阴极处被释放。图1B显示了现有技术的L1-空气蓄电池的放电循环，其中电子离开阳极，且氧在阴极处被吸附。与其它金属-空气蓄电池材料的比容量(锌为820mAh/g，铝为2980mAh/g)相比，锂具有高的比容量(3862mAh/g)，使得锂成为用作阳极材料很好的选择。在阴极处，通过锂离子与氧的复合(recombinat1n)发生还原。目前，介孔碳与金属催化剂一起已被用作阴极材料。被纳入碳电极的金属催化剂提高了氧还原动力学，且提高了阴极的比容量。目前，选择锰、钴、钌、铂、银或钴与锰的混合物作为催化剂的金属元素，且在阴极中使用它们的氧化物、硫化物及环状化合物(如酞菁)。
[0005]L1-空气的电池性能通常受限于在阴极的反应效率，因为大多数的电池电压降发生在阴极。目前，在L1-空气蓄电池中采用了由非质子电解质和水性电解质选择所描述的多重蓄电池化学，因此，在阴极处的确切的电化学反应在各L1-空气蓄电池之间改变。非质子设计可包括锂金属阳极、液态有机电解质和多孔碳阴极，由此，主反应化学是不溶性的过氧化锂(Li2O2)或氧化锂(Li2O)的析出与分解。水性L1-空气蓄电池可包括锂金属阳极、水性电解质和多孔碳阴极。水性电解质仅是溶解在水中的锂盐的组合。这是与有机电解质体系不同的反应化学，即是通过可溶性的氢氧化锂(L1H)形式的析出与分解。
[0006]金属-空气蓄电池(如L1-空气蓄电池)是一种有希望的后锂离子蓄电池技术，且蓄电池的L1-O/变体是高能量密度型可再充电蓄电池的有希望的候选者，但采用环境空气作为反应气体取代纯氧(O2)气体导致蓄电池具有差的再充电特性。这是因为，H2O和CO2导致反应产物(例如Li202、Li2(^PLi0H)的失活，即Li2CO3的形成，其对于再充电而言为非活性材料。包括O2气体的环境空气是最具吸引力的活性材料，但是，环境空气杂质、H2O和CO2降低了 L1-O 2蓄电池的巨大优势。一种克服来自环境空气的杂质的方法是采用空气管理形式从环境气体中纯化H2O和CO2以实现气体纯化。即使采用最先进的技术(例如气体分离膜)，环境空气中的杂质的完全气体管理也是非常困难的。即使采用吸附剂(例如沸石)的气体吸附技术会从环境空气中除去大部分H2O和CO2，但为了彻底除去杂质，这类气体吸附系统非常大。因此，彻底的环境气体纯化对于大多数蓄电池应用而言通常是不现实的。
[0007]Albertus等在美国专利公开2012/0094193中公开了一种高比能的1^_02/0)2蓄电池，其中包括CO2的环境空气被引入L1-空气蓄电池。特别地，二氧化碳(CO2)与氧的化学计量比摩尔进料比2:1是最佳的，以获得作为一次电池的高能量密度。然而，在当前的生存环境中，浓缩CO2气体最高达2的摩尔进料比是非常困难的，因为在环境空气中，CO2的量为约0.03%，且维持恒定CO2浓度的管理系统是难以实施的，因为CO 2浓度在环境空气中波动。因此，对于车辆用途，所提出的蓄电池是不实际的。
[0008]因此，存在对于新的金属-气体蓄电池的需求，该新的金属-气体蓄电池不需要环境空气的完全纯化，且可适于运输和车辆应用。
【发明内容】
[0009]本文公开了一种金属-气体蓄电池系统，其包括与至少一种废气流连通的至少一个金属-气体蓄电池，使得以允许被引入的气体在催化还原反应期间被消耗从而产生能量的方式，废气流被引入到金属-气体蓄电池中。该废气流可包含在燃机中产生的至少一种废气。在该金属-气体蓄电池中产生的能量可以为电能形式。
[0010]本文所公开的金属-气体蓄电池系统可以与各种机构和动力源结合使用。本文还公开了一种包括金属-气体蓄电池的燃烧系统，该金属-气体蓄电池被配置为向至少一个装置提供能量，特别是电能。本文还公开了一种交通工具(如机动车)，其包括内燃机、至少一个排放控制装置、至少一个排气管，该排气管将废气传送到至少一个金属-气体蓄电池系统，该金属-空气蓄电池可运行地与机动车连接。
【附图说明】
[0011]特别地指出了被认为是本发明的主题并在说明书的结论处在权利要求书中清楚地要求保护。根据以下详细的描述并结合附图，本发明的前述及其它目的、特征及优点是显而易见的，其中:
[0012]图1A和IB显示了典型的L1-空气蓄电池的充电和放电循环；
[0013]图2是本发明的金属-气体蓄电池系统的示意图，其利用来自燃机的燃烧排气作为该金属-气体蓄电池的气体输入；
[0014]图3是另一本发明的金属-气体蓄电池系统的示意图，其利用来自发动机的燃烧排气作为该蓄电池的气体输入；
[0015]图4是另一本发明的金属-气体蓄电池系统的示意图，其在交通工具的情况下利用来自发动机的经催化处理的燃烧排气作为蓄电池的气体输入；
[0016]图5是L1-气体蓄电池的实施方案的电压-容量的曲线图，该L1-气体蓄电池具有lmol/L的LiPF6、碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(EC-DEC)的电解质，用于多种输入的反应气体，其中最内侧的曲线来源是纯氩输入气体，随后依次是1/84/15体积百分比的02/N2/C02、20/80体积百分比的02/队及1/80/14/2/2/1体积百分比的O 2/N2/C02/C0/N0/HC ;
[0017]图6是L1-气体蓄电池的实施方案的电压-容量的曲线图，该L1-气体蓄电池具有在离子液体N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵-双(三氟甲磺酰基)胺(DEMETFSI)中的0.32mol/kg的双(三氟甲磺酰基)胺锂(LiTFSI)的电解质，其用于图5所示的相同的气体输入。
【具体实施方式】
[0018]本公开内容涉及一种装置或系统，其利用来自燃机(如内燃机)的“废气”作为用于金属-气体蓄电池的反应气体或多种反应气体。合适的内燃机的非限制性实例包括其中在工作流体(如空气)中燃烧染料的那些。合适的燃料包括但不限于石油制品，例如汽油、柴油等。本文中所采用的术语“废气”是指在燃烧活动之后从相关发动机中排出的材料。作为非限制性实例，在四冲程内燃机中，废气是指在循环的排气冲程阶段中，当相关的活塞向上运动时，从发动机中的一个或多个气缸被压出的材料。所产生的废气流可包括但不限于下述的一种或多种气体:氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、各种短链烃(HC)、单氮氧化物(NOx)、燃烧的硫氧化物产物(SOx)。在多个实施方案中，预计的是，被供给并被利用的废气会是氧与一种或多种目标气体(例如C02、CO、NOx, SOJP HC)的组合。本文中，烃(HC)是指甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。
[0019]作为广义的理解，本公开内容涉及金属-气体蓄电池系统，其包括与至少一种废气流流体连通的至少一个金属-气体蓄电池。该金属-气体蓄电池可包括至少一种阴极。在本公开内容范围内的是，本文所公开的金属-气体蓄电池系统包括任意合适的排布或配置的多个蓄电池单元。所采用的阴极可以由促进与一种或多种目标