电极和电化学器件以及制造电极和电化学器件的方法技术

描述了包含类钻石碳的双用气体扩散‑析气电极，其可以在放电期间用作气体扩散电极，并在再充电期间用作析气电极。所公开材料的电极是电化学鲁棒性的，抑制多步反应，并具有高的、各向同性的热导率。所公开的电极可以用作可再充电金属‑空气电池的空气电极。

Electrode and electrochemical device, and method for manufacturing electrode and electrochemical device

Describes the containing diamond like carbon double gas condensate gas diffusion electrode, which can be used as a gas diffusion electrode during the discharge, and used as FORGAS-EVOLVING electrode in recharge period. The electrodes of the disclosed material are electrochemically robust, inhibit multistep reactions, and have high and isotropic thermal conductivities. The electrode can be used as open air electrode rechargeable metal air battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极和电化学器件以及制造电极和电化学器件的方法相关申请本申请要求于2014年12月3日提交的、目前未决的62/086,717号美国临时专利申请的优先权。
技术介绍
金属-空气电池，特别是锂-空气，被认为是电池研究的诱人的目标。将大气中的氧用作一次或二次电池中的反应物之一会带来很多好处。这些包括更大的实际能量密度，充满电时提高的安全性，以及在制造中对原材料减少的需求。然而，到目前为止，还没有技术能充分解决金属-空气电池的主要问题，具体地，空气电极的问题。环境温度下大气氧气的减少可能导致部分还原产物，例如过氧化物、超氧化物、过氧化氢自由基和/或羟基自由基，其可能会损害电池的其他部件。克服反应的缓慢的反应动力所需要的过电势可能导致电池的一些储存能量作为热量被释放，这是很实际的以及安全的考虑。给这样的电池充电可能甚至更加有问题。与放电相比，影响例如再充电中的过氧化物的氧化所需要的过电势可能会给电极带来更高的、更有破坏性的电势。因为为电池充电要求影响金属氧化物(例如，过氧化锂)的氧化所需要的过电势高于反应所需的平衡电势，所以其他问题可能会产生。这样的高电势(与标准的氢电极相比通常大于1伏特)可创建高反应性的氧化性环境，其会损伤空气电极、电池溶剂、电解质和/或组成电池的其他材料。进一步的难题可包括可能由该过电势产生废热，其创建甚至更可能促进有害副反应的环境，破坏电池和/或缩短其使用寿命。由于这样的现象，高能量密度金属-空气电池(例如锂空气和钠空气电池)尚未实现它们的全部预期。附图说明具体的例子为了说明和描述的目的而被选择，并在附图中显示，形成说明书的一部分。图1示出了本技术的双用气体扩散-析气电极的一个例子。图2示出了本技术的电化学电池单元的一个例子的部件分解图。图3a示出了本技术的电池的一个例子，其中电化学电池单元并联连接。图3b示出了本技术的电池的一个例子，其中电化学电池串联连接。图4示出了在二甲基亚砜中的0.1M硝酸锂中的石墨、铂、玻璃碳和硼掺杂的钻石电极的循环伏安图。图5是以锂空气电化学电池为例的充电和放电期间随时间变化的电池单元电势曲线图。图6是制造本技术的双用气体扩散-析气电极的一个方法的流程图。图7示出了合并本技术的双用气体扩散-析气电极的电化学电池单元的例子。具体实施方式本技术涉及用于电池的电解单元或燃料电池的新型电极，以及相关的电解池，并且更具体地涉及双用气体扩散-析气电极。还描述了制造本技术的这种电极和电解池的方法。在本说明书和所附的权利要求中，以下术语有如下所阐述的含义，其被认为是与本领域技术人员会对这些术语所理解的一致:过电势：在某速率下驱动反应所需的超出热力学平衡的额外电势。过电势是绝对量，并且对于任何电极，驱动无论是氧化还是还原方向上的反应，在某种程度上是需要的。内球反应(inner-spherereaction)：电极与在反应中间物或产物与电极具有强相互作用的种类(species)之间的反应。这种反应包含参与电极反应的种类的特定吸附。内球反应还可包含作为对金属离子的配体桥的特别吸附的离子或配合基。外球反应(outer-spherereaction)：电极与其中的反应物和产物不与电极表面发生强烈反应的种类之间的反应。该反应通常离开电极有至少一个溶剂层的距离。电化学电池：完整的电化学装置，包括两个电极、反应物、电解质、溶剂，以及可选的隔片(spacer)、集电器和催化剂以及壳体(case)。SEI：溶液电解质界面，例如形成于碱金属电极表面和非水溶剂的表面。类钻石碳：一种天然的或合成的钻石，以及具有天然或合成钻石的至少一些性质的任何其他形式的碳，例如sp3结合碳原子。通常有7种目前已识别形式的类钻石碳，包括四面体非晶碳(ta-C)。类钻石碳的形式的区别之处在于sp3结合碳和石墨sp2碳的含量，并且可以包括氢、氮、金属和其他填充剂。类钻石碳可以是掺杂或不掺杂的。本技术的双用气体溶解-析气电极可以包括类钻石碳的导电网络，以及催化剂。在至少某些例子中，类钻石碳包含多于50％的sp3结合碳原子。类钻石碳的导电网络具有至少约1000W/m·K的热导率。催化剂可以在氧化或还原的至少之一期间催化所需的反应。在用于内球反应的给定电流密度下，本技术的电极需要高于传统电极材料(例如石墨)至少0.3伏特的过电势。在还原期间，本技术的电极充当气体扩散电极。气体扩散电极是这样设计的电极：气体可以用作在电极上的反应物，并且不参与的气体(例如空气中的氮气)可以连同所生成的任何产物气体一起扩散进和扩散出，以便不产生阻塞反应气体扩散的死层。在整个体积中，气体扩散电极理想地具有电学、离子(电解质)和气体进入之间的平衡。在氧化期间，本技术的电极充当析气电极。析气电极是设计为具有高表面区域、电解质进入、并且供应在电极表面生成的气体易于从电极结构中逃离的电极。与气体扩散电极不同，其不需要辅助非反应气体扩散进和扩散出的结构，其中在该电极中的气体的唯一需要是其逃离。图1示出了本技术的双用气体扩散-析气(gasevolution)电极100的一个例子。电极100可以包括类钻石碳102的导电网络(conductivenetwork)，其可以包含至少一种催化剂104。根据应用，类钻石碳102的导电网络可以连接至电化学惰性衬底106。在一些例子中，该连接可以是类钻石碳102的导电网络形成于电化学惰性衬底106上的结果。可选地，本技术的双用气体扩散-析气电极100可以是在固态电解质的表面上的多孔结构中，其中该固态电解质接触催化剂和电学导电网络，并始终可用于气体进入，允许氧气被电解质中的离子还原，以及随后的还原产物的氧化。在一些例子中，该电极可以具有从约20纳米到约5000微米的厚度。绝缘衬底102可以是适用于气体扩散电极的电化学惰性材料。合适的电化学惰性材料的一些例子可以包括而不限于电学非导电钻石、类钻石碳或ta-C。电化学惰性衬底可以有至少约1000W/m·K的热导率。类钻石碳102的导电网络可以进一步包含额外的组份，诸如以下中的一个或更多个：黏合剂108、润湿剂110或去湿剂112。黏合剂可以用于将类钻石碳102的网络的成份结合在一起。合适的黏合剂的一些例子可以包括而不限于聚乙烯、环氧树脂、硅树脂或烧结聚四氟乙烯。无论该双用气体扩散-析气电极是否与水溶剂和电解质或非水溶剂和电解质一起使用，类钻石碳102的导电网络中都可以包括润湿剂。该湿润剂可能是某种类型，并且其数量足以辅助类钻石碳的网络与溶剂和电解质之间的接触。在双用气体扩散-析气电极与水溶剂和电解质一起使用的应用中，润湿剂可以是亲水性材料。亲水性润湿剂的一些例子可以包括但不限于表面活性剂、纤维素纤维、二氧化硅颗粒或磺化聚苯乙烯。此外，无论双用气体扩散-析气电极是否与水溶剂和电解质或非水溶剂和电解质一起使用，在类钻石碳102的导电网络中都可以包括去湿剂。去湿剂可能是某种类型，并且其数量可以防止电极的漏液(flooding)。在双用气体扩散-析气电极与水溶剂和电解质一起使用的应用中，去湿剂可以是疏水材料。疏水性润湿剂的一些例子可以包括而不限于特氟龙TM悬浮液或聚乙烯颗粒。可选地，表面改性可以用作直接修饰类钻石碳的表面的预处理步骤。该预处理步骤，无论是通过暴露于气体、等离子体、湿化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双用气体扩散‑析气电极，包括：类钻石碳的导电网络；以及在氧化或还原的至少一个期间催化期望反应的催化剂；其中在用于内球反应的给定电流密度下，所述类钻石碳需要比石墨大至少0.3伏特的过电势；所述类钻石碳的导电网络具有至少约1000W/m·K的热导率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.03 US 62/086,7171.一种双用气体扩散-析气电极，包括：类钻石碳的导电网络；以及在氧化或还原的至少一个期间催化期望反应的催化剂；其中在用于内球反应的给定电流密度下，所述类钻石碳需要比石墨大至少0.3伏特的过电势；所述类钻石碳的导电网络具有至少约1000W/m·K的热导率。2.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，进一步包括电化学惰性衬底；其中所述类钻石碳的导电网络附着于所述电化学惰性衬底。3.根据权利要求2所述的气体扩散-析气电极，其中所述电化学惰性衬底具有至少约1000W/m·K的热导率。4.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，其中所述类钻石碳的导电网络进一步包括黏合剂。5.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，其中所述类钻石碳的导电网络进一步包括润湿剂，所述润湿剂辅助所述类钻石碳的导电网络和溶剂之间的接触。6.根据权利要求4所述的气体扩散-析气电极，其中所述润湿剂是亲水性材料。7.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，其中所述类钻石碳的导电网络进一步包括足以防止所述电极的溢流的去湿剂。8.根据权利要求7所述的气体扩散-析气电极，其中所述去湿剂是疏水性材料。9.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，其中所述类钻石碳掺杂有增加所述类钻石碳的导电性的掺杂剂。10.根据权利要求1所述的气体扩散-析气电极，其中所述类钻石碳掺杂有浓度为从约100...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·索普恰克，
申请(专利权)人：库仑比克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US