具有流动电解液的三电极锌-空气电池制造技术

提供了能够提供理论上无限循环寿命的可再充电的三电极单液流锌空气电池。三电极结构由一个阳极和两个阴极(一个用于充电而另一个用于放电)组成。充电阴极可以包括透水性金属网和/或金属泡沫，从而避免了碳的腐蚀。放电阴极是催化的氧还原电极。阳极包括允许在电池充电期间锌沉积和在电池放电期间锌溶解的惰性导电电极。流动电解液将锌离子从阳极除去从而防止或最小化放电期间氧化锌的形成，并且在每个完全放电后清洗阳极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请以巴黎公约要求2015年3月4日递交的美国申请号62/177,019的优先权，其全部内容通过引用全部并入本文。
本说明书涉及电化学能源转换和储存设备和其应用的领域。特别是，本专利技术涉及经改善的可再充电锌-空气(或锌-氧气)电池，其包括三电极和流动电解液。
技术介绍
可再充电锌空气电池由于许多优势是高度有希望的技术。例如，锌空气电池采用源自大气的空气的氧气，其没有花费并且实际上是取之不尽的，消除了在电池内储存燃料源的需要。此外，在锌-空气电池中采用的催化剂电化学地减少氧气，而在实际上的电流发生反应中没有被使用，这使其理论上可能在无限期间发挥作用。另外，锌-空气电池采用氧气和锌作为活性材料，因此锌-空气电池是花费得起的、安全的和环境友好的。然而，仍存在两个主要的技术问题，其束缚着可再充电锌-空气电池的商业化。第一个问题是容纳在阴极内的碳的腐蚀，其发生在电池的充电阶段。在传统的可充电锌空气电池中，充电和放电循环采用相同的阴极，该阴极包括负载所需的催化剂的多孔碳材料。这些阴极对电池的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)起重要作用。在该过程中会发生副反应，其中碳在OER期间被腐蚀。特别地，碳被氧化为CO2。一旦碳载体氧化并消失，在碳上负载的催化剂失去和电极的接触，这使得催化剂无效，造成了电池性能的下降。与传统锌-空气电池相关的第二个问题是在阳极处发生的形状变化和也在阳极侧的锌枝晶的形成。在传统的可再充电锌-空气电池中，在放电阶段，阳极上的锌粒子被氧化为锌离子并移动到电解液中。然后，由于锌离子在碱性电解液中的差的溶解性，几乎在同时，这些离子被沉积为氧化锌粒子。在充电阶段，氧化锌粒子转变成锌粒子。这些锌粒子可由于重力在长期循环中向下移动，而这会导致阳极形状的变化。锌粒子也可以
在阳极上形成锌枝晶。阳极的形状的变化可导致能量衰减，而锌枝晶会导致电池的突然失效。US2015/0010833和CN101783429中提供了锌-空气电池的示例。US2015/0010833教导了进行改进的两电极Zn-空气电池，但仍存在本领域中已知的一些问题。CN101783429教导了碱性单液流锌-O2电池，其中采用流动的电解液将锌离子从阳极去除，以避免锌离子的部分饱和以及在电池放电阶段的氧化锌的形成。在该参考文献中教导的电池采用双功能阴极，但其仍包括两个电极电解池。该参考文献没有处理碳腐蚀的问题。在这个参考文献中教导的电池因此不适用于长期使用。Yanguang Li等人(Y.Li等人,Advanced Zinc-Air Batteries Based on High-Performance Hybrid Electrocatalysts；Nature Comm.,4:1805,2013,DOI:10.1038)教导了三电极锌-空气电池，其中对在ORR和OER反应中使用的催化剂进行了改进。该参考文献教导了一种电池，该电池采用锌板作为阳极，没有流动电解液。该电池仅持续了200小时，并且因此不适用于长期使用。存在对锌-空气(或锌-氧气)电池的需求，该电池解决至少一部分上面所讨论的问题，并且优选地适于长期功能性。
技术实现思路
本说明书提供三电极可再充电锌空气电池，旨在解决在传统可再充电锌-空气电池的阴极和阳极上发生的前述问题。本说明书提供具有一个阳极和两种阴极的三电极结构的电池。一种阴极用于充电的目的，而另一种用于放电的目的。用于析氧的充电阴极优选地包括电解液可渗透的、抗碱的金属网/泡沫电极。用于氧还原反应的放电阴极优选地包括导电、透气性的但防水的催化电极。采用两种不同功能性阴极被本专利技术人发现来解决碳腐蚀的问题和在传统可再充电锌空气电池中使用的双功能阴极的电池充电期间的催化剂的损失。本文中描述的电池具有更长的运行寿命。本文所描述的阳极包括惰性导电电极，其中锌在电池充电阶段沉积在该电极表面，在电池放电阶段从其表面溶解。本文所描述的电池包括流动电解液，其将锌离子从阳极除去，以避免锌离子的部分饱和以及在电池放电阶段氧化锌的形成。以这种方式，在每一次完全放电之后，阳极的表面被流
动电解液“清洁”并保持在或接近其“新鲜”状态。因此，这避免了锌枝晶的形成和相关的缺点。因此，一方面，提供了一种锌-空气电池，其包括：-外壳，外壳含有至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极；-电解液，电解液适于流经外壳，电解液包括碱溶液，该碱溶液含有至少一种溶解在其中的锌盐；-充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；-电解液适于流过至少阳极的表面。附图说明通过参考附图，特定实施例的特征将在下面的详细说明中更加明确，其中：图1是根据说明书的一方面的如示例A中说明的三电极锌空气电池的结构示意图。图2显示了在示例A的电池的不同充电和放电电流密度下的电压曲线。图3显示了示例A的电池的循环性能特性。具体实施方式在本说明书中，参考锌-空气电池或锌-氧气电池。这些电池对本领域技术人员应是已知的并且应当理解的是术语“锌-空气”和“锌-氧气”可参考相同电池交替地使用。术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”可在本说明书中使用。如在本文(包括说明书和/或权利要求)中所使用的，这些术语将被解释为特指状态特征、整数、步骤或组分的存在，但不是排除一种或多种其它特征、整数、步骤、组分或它们的组的存在，这对相关领域中具有普通技能的人员是明显的。本文中所描述的三电极(即三-电极)单液流锌-空气电池包括外壳和电解液，外壳含有至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极。该电池包括电解液液流系统或与电解液液流系统相关，该电解液液流系统包括电解液存储罐或槽、泵送装置、歧管和其它管道组件，以允许电解液在槽和外壳之间流动。放电阴极优选地包括导电、透气性但防水的催化氧还原电极。充电阴极优选地包括电解液可渗透的抗碱金属网和/或金属泡沫电极。优选地，充电阴极由选自镍、镍合金、钛、钛合金、不锈钢或其混合物或组合的材料制成。充电阴极不采用碳，因此避免了上面讨论的碳腐蚀的问题。阳极包括惰性导电电极，在电池充电期间在阳极上发生锌沉积，并在电池放电期间发生锌溶解。该阳极可包括箔、片、板或泡沫。阳极材料可选自碳/石墨基材料、不锈钢、Sn、Pb、Cu、Ag、Au、Pt、其合金、和其任意组合或混合物。电解液优选地包括碱溶液(0.3至15M的OH-)，其含有至少一种或多种可溶的锌盐类。优选地，这些盐类选自ZnO、Zn(OH)2、K2Zn(OH)4、Na2Zn(OH)4、或其任意组合。该盐在电解液中的浓度优选地为0.1至1.5M。在一个方面，电池可以组装，使得：(1)放电阴极的一侧暴露于空气，另一侧暴露于电解液；(2)充电阴极位于放电阴极和阳极之间；(3)电解液液流系统泵送电解液，使电解液在电池充电和放电期间在电解池和罐之间流动。本文中描述的三电极单液流锌-空气电池适于“三电极”、“无碳充电阴极”、“惰性阳极”、“电解液液流系统”的策略结合。电极和电池组件的策略结合解决了两个主要技术问题：阴极的碳腐蚀和阳极上的形状变化和锌枝晶的形成，并且使电池能够理论上具有无限的使用寿命本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锌‑氧电池，包括：‑外壳，所述外壳含有至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极；‑电解液，所述电解液适于流经所述外壳，所述电解液包括碱溶液，所述碱溶液含有至少一种溶解在其中的锌盐；‑所述充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；‑所述电解液适于流过至少所述阳极的表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.04 US 62/177,0191.一种锌-氧电池，包括：-外壳，所述外壳含有至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极；-电解液，所述电解液适于流经所述外壳，所述电解液包括碱溶液，所述碱溶液含有至少一种溶解在其中的锌盐；-所述充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；-所述电解液适于流过至少所述阳极的表面。2.根据权利要求1所述的电池，其中所述至少一个放电阴极包括导电的透气性的催化氧还原电极。3.根据权利要求1或2所述的电池，其中所述至少一个充电阴极包括电解液可渗透的且抗碱的金属网和/或金属泡沫材料。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述至少一个阳极包括适于在充电阶段允许锌沉积并且在放电阶段允许锌溶解在所述电解液中的导电惰性电极。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池，其中所述至少一个充电阴极由镍、镍合金、钛、钛合金、不锈钢或其混合物或组合形成。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池，其中所述至少一个充电阴极包括过渡金属氧化物粒子和/或过渡金属氢氧化物粒子的涂层。7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池，其中所述至少一个阳极为箔、片、板或泡沫的形式。8.根据权利要求1至7中任一项所述额的电池，其中所述至少一个阳极由碳/石墨基材料、不锈钢、Sn、Pb...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠伟，刘昊，
申请(专利权)人：陈忠伟，刘昊，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA