提供进料包含氧化氮(NO)和任选至少一种选自式NxOy的氮氧化物、氧气、水蒸气、气态烃、一氧化碳和二氧化碳的气体的金属‑氧化氮电化学电池。该电池可以含有分隔体，其抑制NxOy+活性物质由阴极隔室向阳极隔室的扩散。还提供的是含有该金属‑氧化氮电化学电池的可再充电蓄电池。附加提供了其中将来自内燃发动机废气的NxOy进料至金属‑NxOy蓄电池的车辆系统。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉参考本申请要求2014年1月8日提交的美国申请号14/150,168、2014年3月21日提交的美国申请号14/221,814和2014年3月24日提交的美国申请号14/222,989的优先权，其公开内容经此引用全文并入本文。
技术介绍
本专利技术涉及金属-气体蓄电池，特别是涉及具有包含氧化氮(NO)或氧化还原活性NxOy气态化合物作为活性材料的阴极的金属-气体蓄电池。锂离子蓄电池已经自1991年投入商业使用，并已经常规用作移动电子设备的动力源。与锂离子蓄电池(LIB)的构造和组成相关的技术是研究和改进的对象，并已经成熟至现有技术的LIB蓄电池被报道具有高达7000Wh/L的能量密度的程度。但是，即使最先进的LIB技术也未被视为能满足未来的商用电动汽车(EV)所需要的动力源。例如，对于要具有等于现有常规内燃发动机车辆的动力传动系的300英里范围的EV，需要具有约2000Wh/L的能量密度的EV蓄电池组。由于这种能量密度接近于锂离子活性材料的理论极限，正在研究可以提供能量密度更高的蓄电池系统的技术。出于多个原因，金属-空气蓄电池是作为能量技术中的潜在进步以代替和取代锂离子蓄电池的在研技术之一。在金属-空气蓄电池中，正电极活性材料是氧气，其在概念上可以获自空气。由此，与阴极部件相关的蓄电池的大部分质量显著降低。在金属-空气蓄电池方面的兴趣也得到了以下概念的支持：O2气体连续来自该蓄电池的外部，因此，该蓄电池在容量和寿命方面的性能将由金属阳极来决定。在理论上，
此类蓄电池将起作用直到金属阳极耗尽，因此金属-空气蓄电池可能具有比目前在研的其它蓄电池技术更高的能量密度潜力。由于Li的已知能量潜力，Li-O2蓄电池是感兴趣的候选高能量密度类型可再充电蓄电池。已经展示了基于纯化O2来源的Li-O2蓄电池。但是，当使用环境空气作为氧源时，蓄电池性能劣化，并且作为可再充电蓄电池的实用性丧失。这种劣化据信是由于在空气中存在的H2O和CO2导致锂氧化物如Li2O2和Li2O通过形成Li2CO3(其对于再充电而言是一种惰性材料)失活而发生。因此，Li-O2蓄电池成功的主要挑战是必须提纯来自环境空气或大气的O2气体。通常，消耗纯氧的蓄电池对传统消费者效用而言将是不实用的。但是，采用目前已知的技术，H2O和CO2的存在阻碍了成功开发商业上有用的蓄电池。克服此类问题的方法之一是通过膜技术去除H2O和CO2。空气管理对实施气体提纯是必需的。但是，所需提纯似乎相当困难，即使使用现有技术中的气体分离膜技术。此外，有可能使用气体吸收(例如在沸石上)来消除H2O和CO2，但是，此类气体吸收系统过大以至于在大多数蓄电池应用中无法被视为现实的解决方案。考虑到与金属-O2蓄电池相关的问题，正在努力开发金属-气体蓄电池的替代阴极系统。Albertus等人(U.S.2012/0094193)描述了一种具有锂负电极和氧/二氧化碳活性阴极材料的电化学金属-气体电池。所述氧/二氧化碳混合物基于环境空气并包括CO2。如Albertus所述，CO2/O2的特定比例——2:1——是作为一次蓄电池实现高能量密度所必需的。但是，除了来自工厂或其它大型固定废气源的废气外，难以将CO2气体富集至此类比例，因为在环境空气中，CO2的量为约0.03％。有可能设计空气控制系统以便在固定建筑物中满足这种要求，尽管保持恒定CO2浓度的空气管理系统并非常规可用。但是，对用于汽车而言，此类蓄电池将不实用，因为CO2浓度波动，且控制至特定比例将是困难的。Takechi等人(JP 2011-070835)描述了金属空气电池，其中阳极金属可以是锂、钠、钾、镁、钙、铝或锌。供应至阴极的氧化剂是
氧和二氧化碳的组合。Hillhouse(U.S.2013/0216924)描述了用于产生电力的电容器装置，其中燃料流经该电容器的工作电极，由此将该电容器充电。该流随后逆转，氧化剂流经工作电极，由此生成跨越电极的电流流动。列举为可充当电子来源的燃料的材料包括氢、一氧化碳、NO、NO2、SO2和挥发性烃类。Hiraiwa等人(U.S.2013/0089810)描述了一种用于液流分解含氨料流的电化学反应设备，其中当空气或氧作为氧化剂耦合时，NH3转化为N2和水。由于该设备阳极与阴极之间的电位差，可能生成电力。该设备为膜电极组装件(MEA)形式，并充当燃料电池而非充当蓄电池。Lee等人(U.S.2012/0141889)描述了一种含有有机电解质的锂空气蓄电池，所述有机电解质包括金属-配体络合物。该负电极含有锂，正极含有来自外部供应的氧。该金属-配体络合物具有落在锂蓄电池范围内的充电/放电电压范围，并且在充电和放电循环过程中可以经由形成氧化还原对来转移电子。空气或氧是公开的唯一阴极活性材料。Huang(U.S.2010/0247981)描述了复合蓄电池(燃料电池)的能量管理系统。该系统包括一系列模块，所述模块用于收集来自燃料电池的废气、分析废气含量并随后引导废气至进一步燃料消耗的位置。例如，当废气含有氢时，其可以在内燃发动机或氢燃料电池中消耗。Limaye(U.S.5,976,721)描述了化学联产工艺，其在具有多组通道的专门构造的整块物质中进行。将燃料如硫化氢、氨或烃引入一个通道，将氧化剂如空气、氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫或水蒸气引入第二通道。该通道由连接至外电路的导电材料构成。Langer等人(U.S.4,321,313)描述了在电催化电极和电解质的存在下通过与氢反应对氧化氮进行发电还原。如所述那样，该发电电池是类似于燃料电池的电化学反应器。Smith等人(U.S.3,979,225)描述了一种基于二氧化氮(NO2)阴极还原成氧化氮(NO)的燃料电池。随后NO被捕集并重新氧化成二氧化氮以循环回到该燃料电池的阴极。氢气或重整烃气流公开为阳极
反应物，但是，任何其它阳极半反应可以与该阴极还原耦合。Liang等人(CN102371888)(仅摘要)描述了一种等离子体发生器，其有效地从汽油发动机的废气中去除氧化氮。尽管NO在电极之间通过，但并未公开作为蓄电池的效用。Wen等人(CN 102208653)(仅摘要)描述了一种具有空气电极的锂空气蓄电池，所述空气电极含有催化剂、载体和粘合剂。Park(KR20090026589)描述了用于发动机废气系统的基于去除氧化氮的后处理器的燃料电池。因此，需要寻找和开发用于金属-气体蓄电池的替代阴极气体，其是安全的、容易获得的和成本有效的。此外，需要在商业可行的使用容易获得的替代气体的蓄电池和蓄电池系统。专利技术概述通过本专利技术解决了这些和其它目的，其第一实施方案包括一种电化学电池，包含：包含金属的阳极；供应有包含氧化氮(NO)的气体的多孔阴极；位于阳极与阴极之间的分隔体；以及电解质；其中NO是活性阴极成分。在第一实施方案的一个方面中，包含氧化氮(NO)的气体进一步包含至少一种选自式NxOy的氮氧化物、氧气、水蒸气、气态烃、一氧化碳和二氧化碳的气体；其中该活性阴极成分是NO或式NxOy的化合物，x为1或2，y为1至4的整数。在本专利技术的一个特定实施方案中，阳极的金属包含选自锂、钠、钾、镁、钙、铝和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电化学电池，包含：包含金属的阳极；供应有包含氧化氮(NO)的气体的多孔阴极；位于阳极与阴极之间的分隔体；以及电解质；其中NO是活性阴极成分。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.08 US 14/150,168;2014.03.21 US 14/221,814;1.一种电化学电池，包含：包含金属的阳极；供应有包含氧化氮(NO)的气体的多孔阴极；位于阳极与阴极之间的分隔体；以及电解质；其中NO是活性阴极成分。2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极的金属包含选自锂、钠、钾、镁、钙、铝和锌中的一种。3.如权利要求2所述的电化学电池，其中所述金属包含锂。4.如权利要求2所述的电化学电池，其中所述金属包含镁。5.可再充电蓄电池，包含如权利要求1所述的电化学电池。6.如权利要求5所述的可再充电蓄电池，其中所述电化学电池的阳极包含锂。7.如权利要求5所述的可再充电蓄电池，其中所述电化学电池的阳极包含镁。8.如权利要求5所述的可再充电蓄电池，其中所述蓄电池包含用于引入包含NO的气体进料的气体入口。9.一种车辆，包含：具有包含NO的废气的内燃发动机；如权利要求5所述的蓄电池；和连接到所述发动机的废气系统的NO吸收器；其中所述NO吸收器与所述蓄电池的气体入口连通，来自所述废气的NO经由所述气体入口进料到所述蓄电池中。10.一种电化学电池，包含：包含金属的阳极；供应有包含氧化氮(NO)和选自式NxOy的氮氧化物、氧气、水蒸气、气态烃、一氧化碳和二氧化碳的至少一种气体的多孔阴极；位于阳极与阴极之间的分隔体；和电解质；其中活性阴极成分是NO或式NxOy的化合物，其中x为1或2，并且y是1至4的整数。11.如权利要求10所述的电化学电池，其中所述阳极的金属包含选自锂、钠、钾、镁、钙、铝和锌中的一种。12.如权利要求11所述的电化学电池，其中所述金属包含锂。13.如权利要求11所述的电化学电池，其中所述金属包含镁。14.可再充电蓄电池，包含如权利要求1所述的电化学电池。15.如权利要求14所述的可再充电蓄电池，其中所述蓄电池包含用于引入包含NO...
【专利技术属性】
技术研发人员：水野史教，P·T·范森，C·A·罗伯茨，N·辛格，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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