具有多級氧氣壓縮的金屬/氧氣電池組的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開內容設及電池組，并且更特別地設及基于金屬/氧氣的電池組。
【背景技術】
[0002] 與其他電化學儲能裝置相比，可再充電裡離子電池組由于其高的比能量而是具有 吸引力的用于便攜式電子設備和電動及混合電動車輛的儲能系統。正如W下更充分地討論 的，典型的裡離子電池包含負電極、正電極、和在負電極和正電極之間的隔板區域。兩個電 極均包含可逆地嵌入裡或與裡可逆地反應的活性材料。在某些情況下負電極可包括裡金 屬，其可W W電化學的方式可逆地被溶解和沉積。隔板包含具有裡陽離子的電解質，并且用 作電極之間的物理阻擋層，使得在電池之內電極都不被電子連接。
[0003] 典型地，在充電期間，在正電極處產生電子，并且在負電極處消耗等量的電子，并 且運些電子是通過外部電路傳輸的。在電池的理想充電中，運些電子在正電極處產生，因為 存在通過裡離子的氧化從正電極的活性材料中的提取，并且電子在負電極處被消耗，因為 存在裡離子到負電極的活性材料中的還原。在放電期間，恰好相反的反應發生。
[0004] 當高比容量負電極、例如金屬被使用在電池組中時，當高容量正電極活性材料也 被使用時，相對于傳統系統容量增加的最大好處得W實現。例如，傳統的嵌裡氧化物(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以邑的理論容量（基 于裡化氧化物的質量），及180到250mAh/g的實際容量，其與裡金屬的比容量3863mAh/g相比 是相當低的。對于Li2〇,針對裡離子正電極可達到的最高理論容量為1794mAh/g(基于裡化 材料的質量）。其它高容量材料包括BiF3(303mAh/g，裡化的），FeF3(712mAh/g，裡化的），化， Al, Si, Mg,化，Fe,化等等。另外，其他負電極材料、例如多種金屬的合金及例如金屬氨化物 的材料在與氧氣反應時也具有高比能量。運些對中的許多也具有非常高的能量密度。
[000引不幸地，所有運些材料在比傳統的氧化物正電極更低的電壓下與裡反應，因此限 制理論比能量。盡管如此，相較于具有裡負電極和傳統氧化物正電極的電池的最大值~ SOOWhAg，理論比能量仍然很高（> SOOWhAg，該最大值可W使電動車輛一次充電能夠接近 300英里或更多的行程。
[0006] 圖1描繪圖表10,其顯示對于使用不同比能量的電池組包(batte巧pack)的車輛 可達到的行程與電池組包的重量。在圖表10中，比能量是針對整個電池的，包括電池包裝重 量，假設用于由一組特定的電池形成電池組包的50%重量增加。美國能源部已經確立了位 于車輛內的電池組包的200kg的重量限制。因此，只有具有大約600Wh/kg或更大的電池組包 能達到300英里的行程。
[0007] 各種裡基化學過程已經被研究W用于包括在車輛內的各種應用中。圖2描述圖表 20,其標識各種裡基化學過程的比能量和能量密度。在圖表20中，只有電池組電池的活性材 料、集流器、粘合劑、隔板和其他惰性材料的重量被包括。包裝重量、例如標簽、電池外殼等 沒有被包括。正如從圖表20中明顯的，即使考慮到包裝重量，裡/氧氣電池組也能夠提供> 600Wh/kg的比能量，并且因此具有W類似于典型裡離子電池組的成本實現在沒有再充電的 情況下超出300英里的電動車輛駕駛行程的潛力。雖然裡/氧氣電池已在受控的實驗室環境 中被論證，但是正如W下進一步討論的，在完全商業引入裡/氧氣電池是可行的之前留下一 些問題。
[000引一個典型的裡/氧氣電化學電池50在圖3中被描繪。電池50包括負電極52、正電極 54、多孔隔板56、W及集流器58。負電極52典型地是金屬裡。正電極54包括可能涂覆在催化 材料(例如金或銷）中并懸浮在多孔的導電的基質62中的電極顆粒、例如顆粒60。含有溶解 于有機溶劑、例如二甲酸或C出CN中的鹽、例如LiPFs的電解質溶液64滲透多孔隔板56和正電 極54。LiPFs給電解質提供足夠的導電率，該導電率降低電池50的內電阻W允許高功率。
[0009] 正電極52的一部分被阻擋層66包圍。圖3中的阻擋層66被配置用于允許來自外部 來源68的氧氣進入正電極54同時過濾不期望的組分、例如氣體和液體。正電極54的潤濕性 防止電解質64從正電極54泄漏出來。替代地，從氧氣的外部來源除去污染物和保留電池組 分、例如揮發性電解質可W從各個電池單獨地執行。在電池50放電時，來自外部來源68的氧 氣通過阻擋層66進入正電極54,而在電池50被充電時，氧氣通過阻擋層66離開正電極54。在 運行中，在電池50放電時，認為氧氣和裡離子結合W按照下面的關系式形成放電產物Li2〇2 或者Li2〇:
[0010] 典型電池50中的正電極54是一種重量輕的導電的材料，該材料具有大于80%的孔 隙率W允許在陰極體積中形成和沉積/存儲Li2〇2。沉積Li2〇2的能力直接決定電池的最大容 量。為了實現比能量為600Wh/kg或更大的電池組系統，厚度為100叫!的板必須具有大約 20mAh/cm 2 的容量。
[0011] 提供所需要的孔隙率的材料包括碳黑，石墨，碳纖維，碳納米管，W及其他非碳材 料。有證據證明運些碳結構中的每一種在電池的充電期間都經歷氧化過程，至少部分地是 由于電池中的惡劣環境(純氧，超氧化物和過氧化物離子，陰極表面上的固態過氧化裡的形 成，W及>3V的電化學氧化電勢(對比Li/L〇)。
[0012] 雖然包括氧氣作為正電極W及金屬、金屬合金或其他材料作為負電極的對有明顯 的好處，但是由于各種挑戰，迄今為止運些對都沒有看到商業示范。與Li-氧氣電池組相關 的問題的一些研究已經被進行，如例如通過W下文獻所報告的：Beat t i e，S .，D. Mano 1 e SCU 和S.Blair的"高容量裡-空氣陰極化igh-&pacity Lithium-Air Cathodes)"，電化學學會 雜志（Journsl of the Electrochemical Society) ,2009.156:p.A44,Kumar，B.等人的"固 態可再充電長循環壽命裡-空氣電池組(A Solid-State，Rechargeable，Long切cle Life Lithium-Air Battery)"，電化學學會雜志（Journal of the Electrochemic曰I Society)， 2010.157 :p. A50 ,Read, J.的"裡/氧氣有機電解質電池組的表征（化aracterization of the lithium/oxy邑en organic electrolyte battery)''，電化學學會雜志（Journal of the Electrochemical Society),2002.149:p.A1190，Read，J.等人的"有機電解質的氧氣 傳輸特性和裡/氧氣電池組的性能（Oxygen transport p;rope;rties of organic electrolytes and performance of lithium/oxygen battery)",電化