具有調諧的疏水性的金屬-空氣電池制造技術

一種包括電解質的電化學電池，該電解質包括水和包括正離子和負離子的疏水離子液體。該電化學電池還包括被配置為吸收和還原氧氣的空氣電極。親水的或吸濕的添加劑調節離子液體的疏水性以將電解質中水的濃度維持在0.001mol％和25mol％之間。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術的實施例涉及電化學金屬-空氣電池，并且更特別地涉及具有包括調諧的疏水離子液體的離子導電介質的電化學金屬-空氣電池。
技術介紹
金屬-空氣電池通常包括金屬燃料在其上被氧化的燃料電極、氧氣在其上被還原的空氣電極以及用于提供離子電導率的電解質。常規金屬-空氣電池的一個重要限制因素是電解質溶液(即離子導電介質)的揮發，尤其是諸如含水電解質溶液中的水等溶劑的揮發。因為空氣電極需要是空氣可滲透的以吸收氧氣，所以也可能允許諸如水蒸氣等溶劑蒸氣從電池逸出。經過一段時間后，由于溶劑的枯竭，電池變得不能有效地運行。確實，在許多電池設計中，該揮發問題致使電池在燃料耗盡之前無法運行。并且該問題在二次(即可充電的)電池中會惡化，因為燃料可以在電池的壽命中被重復地再充電而電解質溶液卻不能(缺少來自外部來源的補充)。此外，存在與含水電解質電池有關的兩個其它問題再充電期間的水電解和自身放電。在再充電期間，電流流過電池以在燃料電極處還原被氧化的燃料。然而，一些電流電解水，結果導致如下反應式所表示的在燃料電極處的氫氣析出(還原)以及在氧電極處的氧氣析出(氧化)(I)還原2H20(1)+2( — H2(g) +20F(aq)以及(2)氧化2H20(1) — O2 (g) +4H+(aq) +4e_如此，含水電解質進一步從電池損失。此外，在還原氫氣中所消耗的電子不可用以還原燃料氧化物。因此，含水電解質的寄生電解降低了二次電池的循環效率。自身放電可能由電極中的雜質或者與電解質的反應造成。通常，由電極中的雜質所造成的自身放電小(每月2-3%的損耗)。然而,活潑金屬與水和/或溶解在水中的氧氣的反應可能相當高(每月20-30% )。為了彌補這些問題，具有含水電解質溶液的金屬-空氣電池通常被設計成含有相對大容量的電解質溶液。一些電池設計甚至結合了用于從附近的儲液器補充電解質以維持電解質水平的裝置。然而，任一方法既增加了電池的總體尺寸，也增加了電池的重量，卻沒有增強電池性能(除非確保有大容量的電解質溶液用以抵消經過一段時間后水或者其它溶劑的揮發)。具體地，電池性能一般由燃料特性、電極特性、電解質特性以及可用于發生反應的電極表面面積量來決定。但是電池中電解質溶液的容量對電池性能一般沒有明顯有益的影響，因此一般僅僅依據基于體積和重量的比值(功率比容量或重量，以及能量比容量或重量)來減損電池性能。另外，過量的電解質容量可能造成電極之間更大的間距，這可能增加歐姆電阻并且減損性能。用于電化學電池的非水系統的使用已經被建議(例如，見美國專利5827602)。在非水系統中，含水電解質可以被離子液體取代。然而，含有諸如AlCl3等強Lewis酸的離子液體被公知為受潮時釋放出有毒氣體。防潮因而不產生有毒氣體的疏水離子液體的使用已經被研究以用于密封的鋰離子電池。具有適合用于金屬-空氣電池的疏水電解質將是有利的
技術實現思路
本專利技術的實施例涉及包括離子導電介質的電化學電池，該離子導電介質包括疏水離子液體和至少一種親水添加劑，該疏水離子液體包括正離子和負離子。電池還包括用于氧化燃料的燃料電極以及被配置為吸收和還原氣態氧的空氣電極。吸濕添加劑調節離子液體的疏水性以當該離子液體在標準狀態下橫跨15%到95%的相對濕度被暴露給周圍空氣時將離子導電介質中水的濃度維持在O. lmol%和25mol%之間。在優選的實施例中，親水添加劑是吸濕的。本專利技術的另一個實施例涉及用于電化學電池的離子導電介質本身。本專利技術的其它目的、方面和優點通過下面的具體描述、附圖和所附權利要求書將變得顯而易見。附圖說明本專利技術可以通過參考下面的描述以及用于示出本專利技術的實施例的附圖被最好地理解。圖I是用于膽堿雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺/ZnCl2的作為時間的函數的水濃度的曲線圖。圖2是根據本專利技術的實施例的電化學電池的示意圖。具體實施例方式本專利技術的實施例包括具有其水溶度在O. 001%和25% (mol)之間的疏水離子液體的電化學電池。出于該應用的目的，除非另有陳述，本文所有百分數均以PPm為單位。優選地，水溶度在0.1%和10%之間。優選地，水溶度在1%和5%之間。可替換地，含水量可以在O. 001%和1%之間。可替換地，含水量可以在O. 1%和1%之間。優選地，疏水離子液體與空氣-金屬電池的陽極金屬兼容并且能夠支持一種或多種被還原的氧類物質。疏水離子液體還能夠優選地支持用于再充電的氧化物氧化并且對于在電池中產生的電化學反應產物具有高的溶解度。在20°C的溫度和I個大氣壓的壓力(即標準狀態)下，隨著相對濕度從O. 1%變化到99%或者從10%變化到90%，本專利技術的實施例將含水量維持在O. 001%和25%之間。在20°C的溫度和I個大氣壓的壓力下，隨著相對濕度從O. 1%變化到99%，其它實施例將含水量維持在O. I %和10%之間。在20°C的溫度和I個大氣壓的壓力下，隨著相對濕度從10%變化到90%，其它實施例將含水量維持在O. 5%和10%之間。在20°C的溫度和I個大氣壓的壓力下，隨著相對濕度從10%變化到90%，還有其它實施例將含水量維持在O. 1%和10%之間。所有這些狀態一般指的是周圍空氣(即正常大氣空氣)，該周圍空氣是電池的典型運行環境，并且該空氣可以通過如下所述的空氣電極的孔隙被暴露給離子液體。離子液體一般指的是形成包含離子的穩定液體的鹽。也就是說，離子液體完全被離解，主要由負離子和正離子所構成。因此，離子液體固有地導電。進一步，離子液體具有可忽略的蒸氣壓力、低的粘度、寬的液相線范圍(直到400°C )、高的熱穩定性和大的電化學窗口(>5V)。由于這些特性，在電化學電池的充電/放電周期期間，離子液體通常不會揮發或者被消耗掉。本專利技術的實施例包括在其熔點之上的20°C具有I毫米汞柱或以下以及優選地在其熔點之上的20°C具有O. I毫米汞柱或以下或零或本質上不可測量的蒸氣壓力的離子液體。室溫離子液體(RTIL)是在100°C或以下、I個大氣壓的壓力下形成穩定液體的鹽(即，其具有在I個大氣壓下位于100°C或以下的熔點)。出于該應用的目的，低溫離子液體定義為具有在I個大氣壓下位于150°C或以下的熔點的離子液體。低溫離子液體還可以包括RTIL類物質。 然而，即使通過其各自在I個大氣壓下的熔點定義低溫或者室溫離子液體，在一些實施例中，電池可以在具有不同壓力的環境中運行，并且因此熔點可以隨運行壓力而變化。因此，參考在I個大氣壓下的熔點被用作參考點以定義這些液體，并且沒有暗示或者限制其在運行中的實際使用條件。IL 一般有兩種形式質子的和非質子的。質子IL具有可以被氧化或被還原或者可以與諸如被還原的氧等負離子配位的可用質子。這些可用質子已經被發現可以增加氧的還原反應。質子IL的一些例子由陰離子四氯鋁酸鹽、雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺、甲基磺酸鹽、硝酸鹽和醋酸鹽，以及陽離子三乙基銨、二乙基甲銨、二甲基乙銨、二甲基乙銨三氟甲磺酸酯、乙基銨、α -甲基吡啶鎗、吡啶鐵，以及1，8-雙(二甲胺基)萘、2，6- 二-叔丁基批啶，以及胍(guanadines)的衍生物的組合所合成。非質子IL通常不具有質子活性。非質子RTIL的一些例子由陰離子氯離子(Cl—)、六氟磷酸鹽(PF6-)、碘離子、四氟硼酸鹽、雙(本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：C·A·弗里森，R·克里施南，T·唐，D·沃爾夫，
申請(專利權)人：流體公司，
類型：
國別省市：