用于包括金属燃料的电化学电池的杂离子芳族添加剂制造技术

本发明专利技术的实施方式提供了电化学电池，其包括：包含金属燃料的燃料电极，第二电极和连通电极的离子传导介质；该离子传导介质包含杂离子芳族添加剂。燃料电极和第二电极可在放电模式下操作，其中金属燃料在充当阳极的燃料电极处被氧化，从而产生从燃料电极通过负载传导到第二电极的电子。还公开了离子传导介质和操作电化学电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于包括金属燃料的电化学电池的杂离子芳族添加剂在先申请的交叉引用本申请要求于2013年3月13日提交的第61/780,662号美国临时专利申请的权益，其全部内容作为整体通过引用并入本文。
本专利技术涉及用于发电的电化学电池，更具体地涉及使用电沉积燃料的电池。该电池的离子传导介质包含杂离子芳族添加剂。本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请均作为整体通过引用并入本文。
技术介绍
已知电化学电池使用金属作为燃料。也已知电化学电池使用电解液(一种溶剂分子和溶质离子的溶液)作为离子传导介质。由于溶剂分子与溶质离子之间的热力学作用，溶剂分子使溶质离子形成溶剂化物，从而使电解液保持离子传导性。取决于期望的操作特征和化学性质，使用金属作为燃料的电化学电池可以是“原”(即，不可再充电的)电池或“蓄”(即，可再充电的)电池。在使用金属作为燃料的电化学电池中，金属燃料在放电过程中在充当阳极的燃料电极处被氧化。被氧化的金属燃料离子可以以可还原的形式保留在电解质溶液中(作为溶剂化的离子，或是与其他离子结合，如在分子或络合物中)。在电化学蓄电池的充电过程中，可还原的金属燃料离子在电解液和现充当阴极的燃料电极之间的界面处被还原为金属燃料，从而通过该方法(称为电沉积)将金属燃料镀覆在燃料电极上。包含金属燃料的电化学电池的一个明显问题是在空闲模式(例如，贮藏)过程中倾向于发生腐蚀或自放电。这在很多时候表现为可用容量的损失。在更极端的情况下，自放电可导致气体释放，而过度的压力可破坏电池密封，最终导致电池失效。例如，在包含锌金属燃料的碱性电池中，天然的氧化层不足以使经常导致电池性能损失的腐蚀进程停止。对于蓄电池而言，在充电-放电循环中产生的一个明显问题是丝状物(filament)或枝状物(dendrite)的形成。这些形成物通常是不均匀的、分散的沉积物，这可能是因为绒毛状(mossy)或枝状生长，和/或是因为丝状物、节状物(nodule)等的生长。通常，这类金属沉积可在电极之间引起不期望的短路，导致电池失效。理想地，电沉积的金属在整个燃料电极表面上积聚为光滑层，由此在从一次充电-放电循环到下一次充电-放电循环的过程中保持电极表面形态。与常规水性电解液电池相关的另一个问题是充电过程中的水电解。在充电过程中，电流通过电池以在燃料电极处还原被氧化的燃料。然而，如以下方程式所表示的，在碱水溶液中一些电流将水电解，导致在燃料电极处析氢(即，还原作用)和在氧化剂电极处析氧(即，氧化作用)：2H2O(1)+2e-→H2(g)+2OH-(aq)和(1)2OH-(aq)→1/2O2(g)+H2O(l)+2e-。(2)以这种方式，水性电解液从电池中损失。此外，在还原氢时消耗的电子不再可用于在燃料电极处还原燃料。因此，水性电解液的寄生性电解(parasiticelectrolysis)降低了蓄(即，可再充电的)电池的循环效率。为缓解这些问题，电解质溶液可包含添加剂。使用添加剂的电化学电池是已知的。这种装置的实例在例如美国专利第3,945,849；4,479,856；6,027,827；和6,395,422；6,927,000；7,169,504；和7,563,537号中示出，其全文并入本文。不同电化学系统的添加剂可包括表面活性剂、金属离子、有机化合物及其组合。在电化学电池中使用添加剂的益处可以是，例如，通过各种手段(如在电极上形成离子传导层，吸附到金属表面并阻止腐蚀，减少电极的润湿性问题，或者充当螯合剂)来增进电化学反应。不过，添加剂可能因此阻碍电化学电池的功能或效率。例如，再生电池中促进快速电镀的电解液可以同时促进金属燃料在电极上较不致密的电镀。又比如，添加剂的强吸附可能要求蓄电池充电过程中更高的超电势，因而降低效率。附图说明图1是用于在放电过程中发电的带有一叠可渗透电极本体的电化学电池示意图。图2是用于通过电极本体上的电沉积燃料生长来充电的带有一叠可渗透电极本体的电化学电池示意图。图3示出了在电解液和一叠可渗透电极本体中的电极之间的界面处的电沉积，其中电解液包含2.0mM1-苄基-4-氮杂-1-氮鎓二环[2,2,2]辛烷氢氧化物和0.25mM氯化铟InCl3。具体实施方式本专利技术的实施方式提供了电化学电池，其包括：包含金属燃料的燃料电极，第二电极和连通电极的离子传导介质，该离子传导介质包含杂离子芳族添加剂。燃料电极和第二电极可在放电模式下操作，其中金属燃料在充当阳极的燃料电极处被氧化，从而产生从燃料电极通过负载传导到第二电极的电子。本专利技术的实施方式还提供了电化学电池放电方法，其通过在充当阳极的燃料电极处氧化金属燃料，从而产生从燃料电极通过负载传导到第二电极的电子，之后使燃料电极和第二电极与负载断开以中断放电。而且，本专利技术的实施方式还提供了电化学电池充电方法，其通过在充电电极和充当阴极的燃料电极之间施加电流，使得可还原的金属燃料离子被还原，并在第一电极上电沉积为可氧化形式的金属燃料，之后切断电流以中断充电。此外，本专利技术提供了在产生电流的电化学电池中使用的离子传导介质，其包含杂离子芳族添加剂。附图说明了要求保护的本专利技术各种方面的实施方式。这些实施方式并非旨在作出限制，而是仅仅旨在作为便利理解所要求保护的本专利技术的原理的实例。当前所描述的实施方式的原理可广泛地应用于任何包括金属燃料的电化学电池。该电化学电池可以是原电池(例如，原金属-空气、碱性锌-锰氧化物、银-锌等)或蓄电池(例如，可再充电的金属-空气、镍-镉、镍金属氢化物等)。本专利技术原理可用于其中的电化学电池的非限制性实例公开于美国专利或专利申请第8,168,337、8,309,259、11/962,803、12/385,217、12/549,617、12/631,484、12/776,962、12/885,268、12/901,410、13/019,923、13/028,496、13/083,929、13/085,714、13/096,851、13/105,794、13/167,930、13/185,658、13/220,349、13/229,444、13/230,549、13/277,031、13/299,167、13/362,775、13/448,923、13/526,342、13/526,432、13/531,962、13/532,374、13/553,269、13/566,948、13/653,830、13/666,864、13/668,180、13/668,185、61/557,490、和61/726,134号中；这些全部通过引用并入本文。根据本专利技术的实施方式，现对包括金属燃料的电化学电池的操作进行描述，其可采用本文所述的杂离子芳族添加剂。然而，应当认识到该描述仅仅是作为实例提供，而非旨在以任何方式作出限制。众多其他电池化学和电池设计可根据本专利技术的各种实施方式而采用杂离子芳族添加剂。图1说明了根据本专利技术实施方式的电化学电池10的实例。电化学电池10具有燃料电极20和第二电极30。在一个实施方式中，系统的燃料在放电过程中可在燃料电极20处被氧化。燃料电极20可包括电沉积在电传导电极本体上的固体燃料形式的燃料，但通常可被称作燃料电极20，甚至是在没有燃料存在时。在第二电极30处，系统的氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，其包括：i.包含金属燃料的燃料电极，ii.第二电极，iii.连通所述电极的离子传导介质，所述离子传导介质包含杂离子芳族添加剂；所述燃料电极和所述第二电极在放电模式下是可操作的，其中所述金属燃料在充当阳极的所述燃料电极处被氧化，从而产生从所述燃料电极通过负载传导到所述第二电极的电子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.13 US 61/780,6621.一种电化学电池，其包括：i.包含金属燃料的燃料电极，ii.第二电极，iii.连通所述电极的离子传导介质，所述离子传导介质包含具有芳族官能团的杂离子芳族添加剂，其中所述离子传导介质是电解质水溶液；所述燃料电极和所述第二电极在放电模式下是可操作的，其中所述金属燃料在充当阳极的所述燃料电极处被氧化，从而产生从所述燃料电极通过负载传导到所述第二电极的电子。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其是原电池。3.根据权利要求1所述的电化学电池，其是蓄电池。4.根据权利要求3所述的电化学电池，其还包括充电电极和所述离子传导介质内的可还原的金属燃料离子；所述燃料电极和所述充电电极在充电式下是可操作的，其中当在所述充电电极和所述燃料电极之间施加电流时，所述可还原的金属燃料离子被还原，并在所述充当阴极的燃料电极上电沉积为可氧化形式的金属燃料。5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述燃料电极包括一系列间隔布置的可渗透电极本体；其中在所述电化学电池的充电过程中：在充电电极充当阳极，且至少一个所述可渗透电极本体充当阴极的情况下，在所述充电电极和至少一个所述可渗透电极本体之间施加电化学电流，使得所述可还原的金属燃料离子被还原，并在至少一个所述可渗透电极本体上电沉积为可氧化形式的金属燃料；所述电沉积导致所述可渗透电极本体之间的生长，使得所述电沉积的金属燃料在所述可渗透电极本体之间建立电连接。6.根据权利要求3所述的电化学电池，其中所述燃料电极包括多个间隔开的用于通过电沉积接收金属燃料的可渗透电极本体，其中所述电沉积导致所述可渗透电极本体之间的生长，使得所述电沉积的金属燃料在所述可渗透电极本体之间建立电连接。7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电解质水溶液是碱性的。8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述电解质水溶液含氢氧化钾。9.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述杂离子芳族添加剂被添加至所述电解质水溶液且具有根据下式的结构：其中A代表可选自下组的电荷中心：季铵、环铵、多环铵、季鏻、环鏻、多环鏻、膦嗪、环膦嗪、多环膦嗪，及其衍生物；其中R代表可选自下组的有机连接键：(C1-C20)直链烷基、支链烷基、芳基、烷基氨基、吡啶基、吡咯基、亚氨基、吡啶基吡嗪基、嘧啶基、噻吩基、噻唑基，及其衍生物；和其中B代表可选自下组的芳族基团：苯、吖丙因、二吖丙因、氮杂环丁二烯、吡咯、咪唑、吡唑、三唑、吡啶、吡嗪、二嗪、三嗪、吖庚因、二吖庚因、吖辛因、1-磷杂环戊-2,4-二烯、磷苯、噁唑、噻吩，及其衍生物。10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述杂离子芳族添加剂具有根据下式的结构：其中A代表可选自下组的电荷中心：季铵、环铵、多环铵、季鏻、环鏻、多环鏻、膦嗪、环膦嗪、多环膦嗪，及其衍生物；其中R1代表提供相对于电荷中心A的β碳原子而没有β质子...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·特里姆贝尔，P·约翰森，C·A·弗里森，
申请(专利权)人：流体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US