金属空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种金属空气电池及其制备方法，所述金属空气电池包括金属阳极和空气阴极，其中金属阳极包括有机电解质而空气阴极包括含水电解质。具有根据本发明专利技术的示例性实施方式的结构的金属空气电池，可防止阴极与阳极的电解质混合而激活电池反应，由此制备出高容量的电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有优良安全性的高容量金属空气电池(metal air battery)以及用于制备其的方法。
技术介绍
最近，因为由于消耗矿物燃料而增加二氧化碳的释放、原油价格突然变化等，近来已经关注于将用于汽车的能源由汽油或柴油转换为电能的技术。用于使电动汽车商业化的一些技术已在实际中应用，但对于用于实现高性能且低花费的锂离子电池的技术则存在需求。然而，由于电池容量的限制，目前的锂离子电池难以用作长途旅行电池，而因此将更多数量的锂离子电池安装在汽车中又会显著提高汽车价格。为了普及电动汽车，需要比目前水平高6至7倍的能量密度。结果，理论上具有远高于锂离子电池的能量密度的金属空气电池得到关注。已关注利用金属作为阳极活性材料和空气中的氧作为阴极的可再充电电池(rechargeable battery)。因为阴极氧不需要包含于电池单元中，金属空气电池理论上可以具有比锂离子电池更大的容量，因此被研究作为用于汽车的电池。在放电时，当考虑到由金属与氧反应产生的金属氧化物的产率(金属+O2 —金属氧化物)时，金属空气电池大约2. 8V的开路电压(open voltage)是最有效的。在这种情况下，理论上可储存的每单位重量的能量为3000至5000Wh/Kg，是远高于锂离子二次电池的300Wh/Kg的水平。实际上，氧从空气中获得，因此除了特殊情况以外(如太空、水下等)，不需要储存于电池中。因此，金属空气电池的有效性能被进一步提高。可供参考的是，锂离子电池具有120至150mAh/g的放电容量，而金属空气电池具有700至3000mAh/g的放电容量。因此，金属(Li)空气电池理论上可以实现大容量的电池，而因此被关注作为下一代大容量电池。然而，迄今为止报道的锂空气电池存在以下问题。I)隔膜(separation membrane)的孔隙由于固体反应产物(Li2O)在阳极的积累而堵塞，由此使充电和放电的效率降低并引起短路。2)空气中的水分与金属锂反应，由此产生危险的氢气。3)空气中的氮与金属锂反应，由此妨碍放电。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供不会降低充电和放电西效率、不引起短路、不产生氢气、不妨碍放电等的高容量金属空气电池。本专利技术另一个目的在于提供用于制备高容量金属空气电池的方法。根据本专利技术的示例性实施方式，提供了一种金属空气电池，包括金属阳极(负极,anode)和空气阴极(正极，cathode),其中金属阳极包括有机电解质而空气阴极包括含水电解质(aqueous electrolyte) 金属阳极可以是选自由锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、以及它们的合金组成的组中的一种或多种。 空气阴极可包括选自由贵金属、金属氧化物、以及有机金属复合物组成的组中的一种或多种。贵金属可以是选自钼(Pt)、金(Au)、和银(Ag)中的一种或多种，金属氧化物可以是选自锰(Mn)、镍(Ni)、和钴(Co)的氧化物中的一种或多种，而有机金属复合物可以是选自金属B卜啉和金属酞菁(metal phthalocyanine)中的一种或多种。有机电解质和含水电解质可包括含锂化合物作为电解质盐(electrolyticsalt)。含锂化合物可以是选自由LiPF6, LiBF4' LiClO4' LiN (SO2CF3) 2、LiN (SO2C2F5) 2、CF3SO3Li、LIC (SO2CF3) 3、LiAsF6' LiSbF6' Li I、LiCF3CO2' LiPF3 (C2F5) 3、LiF3 (C2F5) 3、LiF3 (CF3) 3、LiPF4 (C2F5) 2、LiPF4 (CF3) 2、LiPF5 (C2F5)、以及 LiPF5(CF3)组成的组中的一种或多种。有机电解质的溶剂可包含由碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、二甲醚、二乙醚、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、二氧戊环(二氧戊烷)、甲基二氧戊环、环丁砜、Y-丁内酯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲氧基乙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乳酸甲酯、以及丙酸乙酯组成的组中的一种或多种。含水电解质可以是具有10至12. 5的pH的碱性电解质。在有机电解质和含水电解质之间可包括隔膜。隔膜可以是仅透过形成金属阳极的金属离子的固体隔膜。固体隔膜可以是由选自由硅(Si)、钛(Ti)、锆(Zr)、铝(Al)、钙(Ca)、和镁(Mg)所组成的组中的一种或多种所制成的固体无机隔膜。隔膜可以是对电解质无反应性的有机聚合物/无机复合物隔膜。有机聚合物可以是重均分子量为100，000至5，000, 000的含氧(_0_)原子的有机聚合物化合物(有机聚合化合物)。有机聚合物化合物可以是选自聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚氧甲烯(聚甲醛，polyoxymethylene)、以及它们的衍生物中的一种或多种。无机物质可以是选自由硅(Si)、钛(Ti)、锆(Zr)、铝(Al)、钙(Ca)、和镁(Mg)所组成的组中的一种或多种。根据本专利技术另一种示例性实施方式，提供了一种用于制备金属空气电池的方法，包括制备金属阳极；制备空气阴极；在金属阳极和空气阴极之间形成固体隔膜；在金属阳极中注入(impregnate)有机电解质；以及在空气阴极中注入含水电解质。附图说明图I是示出根据本专利技术示例性实施方式的阳极、阴极、以及电解质的结构的图。图2是根据本专利技术示例性实施方式的电池的结构。具体实施例方式下面，将详细描述本专利技术的示例性实施方式。 根据本专利技术示例性实施方式的金属空气电池是包括金属阳极和空气阴极的金属空气电池，其中金属阳极包括有机电解质而空气阴极包括含水电解质。另外，在金属阳极的有机电解质和空气阴极的含水电解质之间包括隔膜。该结构在图I中示出。本专利技术示例性实施方式的阳极(负极)10包括活性材料层12，其中包含一种或多种金属作为活性材料的活性材料衆料施加于阳极集电体(集电阳极，anode collector) 11上。只要阳极可吸附和发射金属离子，可以使用任何阳极，并没有特别的限制。金属离子的详细实例可包括选自由锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、以及其合金组成的组中的一种或多种。如果对其施加阳极的阳极集电体具有导电性，可以使用任何阳极集电体，并没有特别的限制。例如，可以使用不锈钢、铜、镍和其合金等。另外，其厚度可以是约10至300 V- mo集电器(current collector)的实例可包括金属箔、蚀刻金属箔、或具有穿过正面和背面的孔的那些，例如多孔金属网(expanded metal)、冲压金属(punching metal)、网、泡沫等。另外，本专利技术示例性实施方式的阴极(正极)20包括活性材料层22，其中利用空气作为活性材料并包含催化剂以及其他添加剂的浆料施加于阴极集电体(集电阴极，cathodecollector)21。作为阴极集电体21的材料，可以使用具有优良耐蚀性并比金属更轻的多孔碳材料。例如，可以使用碳纤维、活性炭材料等。阴极集电体21可具有多孔结构从而顺畅地扩散外部氧。多孔结构没有特别的限制，但可以具有10至40%的孔隙度。因为根据本专利技术示例性实施方式的金属空气电池使用氧作为阴极，因而阴极集电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属空气电池，包括金属阳极和空气阴极，其中，所述金属阳极包括有机电解质而所述空气阴极包括含水电解质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵智星，李相均，郑玄喆，金倍均，郑昌烈，
申请(专利权)人：三星电机株式会社，
类型：发明
国别省市：