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] 本发明设及电池组，并且更具体地设及基于金属/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是用于便 携式电子设备和电动W及混合电动车辆的有吸引力的储能系统。如下面更充分地讨论的， 典型的Li离子电池包含负电极、正电极W及在负和正电极之间的隔板区。两个电极均包含 可逆地插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，该裡金 属可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，W 及运些电子通过外部电路传输。在电池的理想充电中，运些电子是在正电极处产生的，因为 通过裡离子的氧化从正电极的活性材料提取，并在负电极处消耗电子，因为裡离子还原为 负电极的活性材料。在放电期间，发生恰好相反的反应。
[0004] 当在电池组中使用高比容量负电极、诸如金属时，在也使用高容量正电极活性材 料时，实现了相对于传统系统容量增加的最大好处。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)和180到250mAh/g的实际容量，运与裡金属的比容量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）。其他高容量材料包括BiF3(303mAh/g，裡化）、FeF3(712mAh/g，裡化）、Zn、Al、 Si、Mg、化、Fe、Ca等等。另外，其他负电极材料、诸如多种金属的合金和诸如金属氨化物之类 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。
[0005] 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，因而限 制理论比能量。尽管如此，与具有裡负电极和传统氧化物正电极的电池的最大值~500Wh/ kg相比，理论比能量仍然很高(〉800Wh/kg)，该最大值可使电动车辆一次充电能够接近300 英里或更远的行程。
[0006] 图1描绘显示对于使用不同比能量的电池组包的车辆可达到的行程与电池组包 (batterypack)的重量的图表10。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。美国能源部已经为位于车 辆内的电池组包确立200kg的重量限制。因此，只有具有大约600Wh/kg或更大的电池组包可 W达到300英里的行程。
[0007] 已经研究了各种裡基化学过程W用于包括在车辆内的各种应用中。图2描绘标识 各种裡基化学过程的比能量和能量密度的图表20。在图表20中，仅包括电池组电池的活性 材料、集流体、粘合剂、隔板和其它惰性材料的重量。不包括包装重量，诸如标签、电池罐等。 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不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/氧气电池已经在受控的实验室环境中被论证，但是 在裡/氧气电池的充分商业引入是可行的之前留下一些问题，如下文进一步讨论的。
[000引在图3中描绘了典型的裡/氧气电化学电池50。电池50包括负电极52、正电极54、多 孔隔板56、和集流体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剂材料 (诸如金或销）中并悬浮在多孔的导电基体62中的电极颗粒、诸如颗粒60。含有溶解在有机 溶剂、诸如二甲酸或C出CN中的盐、诸如LiPFs的电解质溶液64渗透多孔隔板56和正电极54。 LiPFs提供具有降低电池50的内电阻W允许高功率的足够导电性的电解质。
[0009] 正电极52的一部分被阻挡层66包围。图3中的阻挡层66被配置为允许氧气从外部 源68进入正电极54,同时过滤不期望的组分、诸如气体和液体。正电极54的润湿性防止电解 液64从正电极54泄漏出来。替代地，从氧气的外部源除去污染物和保留电池组分、诸如挥发 性电解质可W从各个电池单独地执行。在电池50放电时，来自外部源68的氧气通过阻挡层 66进入正电极54,而当电池50被充电时，氧气通过阻挡层66离开正电极54。在运行中，当电 池50放电时，认为氧气与裡离子结合W按照下面的关系式形成放电产物Li2〇2或Li2〇: L/村'王广+￡?-(赁电极） ^〇2+2Lt+2e UsQ (:3:??) 货+站f+茲-勺丽^城钱（正晤險
[0010] 在典型的电池50中的正电极54是具有大于80%的孔隙率W允许在阴极体积中形 成和沉积/存储Li2〇2的重量轻的导电材料。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IOOwii的板必须有大约20mAh/cm 2的 容量。
[ocm]提供所需的孔隙率的材料包括:炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管和其他非碳材料。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，和〉 3V的电化学氧化电位(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，但是迄今为止，由于各种挑战，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-C^pacity Lithium-Air Ca化odes)"，电化学学会 杂志（Journal 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 Cycle Life Lithium-Air Battery)，'，电化学学会杂志（Journal of the Electrochemical Society), 2010 ? 157 :p .A50 ,Read, J ?的"裡/氧气有机电解质电池组的表征（Characterization of the lithium/oxyge打 organic electrolyte battery)，'，电化学学会杂志（Journal of 化e Electrochemical Society) ,2002.149:p .Al 190 ,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)",电化学学会杂志 (Journ曰I of the Electrochemical Society) ,2003.150：p.Al351 ,Y日n邑，X.和Y.Xi日的。氧 气压力对裡氧气电池组的电化学曲线的影响（The effect of O巧gen pressures on the electrochemical profile of lithium/oxygen battery"），固态电化学杂志（Journal of Solid State Electrochemistry) ：p. 1-6, W及Ogasawara，T.等人的"用于裡电池组的可再 充电Li2〇2电极（Rechargeable Li2〇2 Electrode for Lithium Batteries)"，美国化学学 会杂志(Journal of the American Chemical Society) ,20