非水性镁空气蓄电池制造技术

本发明专利技术涉及一种非水性镁空气蓄电池，该蓄电池包括：阳极隔室；阴极隔室；以及分隔阳极隔室与阴极隔室的膜。阳极隔室包括具有镁、镁合金或能够插入和提取镁的材料的阳极，而阴极隔室包括空气电极、甘醇醚或能够支持氧还原的离子液体和可溶性镁盐。

Non water magnesium air battery

The invention relates to a nonaqueous magnesium air battery, which comprises an anode compartment, a cathode compartment, and a membrane separating the anode compartment and the cathode compartment. The anode compartment includes anode materials with magnesium and magnesium alloys or materials that can insert and extract magnesium, while the cathode compartment includes air electrode, glycol ether or ionic liquid and soluble magnesium salt that can support oxygen reduction.

【技术实现步骤摘要】
非水性镁空气蓄电池
本实施方案涉及一种镁空气蓄电池。
技术介绍
作为小型电子设备和甚至混合动力和电动汽车的能源，锂(Li)离子技术占市场主导地位。然而，作为能够运行电动车辆的未来高能量密度存储源的能源，目前的锂离子蓄电池具有不足的能量密度。已经研究金属空气蓄电池作为先进一代的高能量密度源，其具有驱动车辆装置与现有的烃类内燃机相当的距离的理论潜力。在金属空气蓄电池中，阳极的金属被氧化，并且所得到的阳离子行进到含有例如碳的材料的多孔基体的阴极区，例如其中氧被还原并且还原产物与金属阳离子结合以形成作为氧化物或过氧化物的放电产物。在充电时，该过程得到理想地反转。金属-空气蓄电池被认为具有优于金属离子蓄电池的潜在有利性质，因为阴极材料，氧气可以从环境空气气氛中获得，并且蓄电池的容量在理论上将受到阳极金属供应的限制。因此，氧气或环境空气形式将从蓄电池的外部连续地供应，并且蓄电池的容量和电压将取决于所形成的放电产物的氧还原性质和化学性质。基于锂、钠和钾的金属空气蓄电池正在研究中。例如，锂空气蓄电池具有提供是常规锂离子蓄电池5-10倍的能量密度的潜力，并且作为后锂离子蓄电池技术引起了很大的兴趣和开发关注。与含有Li0.5CoO2阴极产物的锂离子蓄电池的600Wh/kg相比，形成Li2O2作为放电产物的非水性锂空气蓄电池理论上将提供3038Wh/kg。然而，实际上，金属空气技术和特别是目前的非水性锂空气蓄电池遇到了许多技术问题，这阻碍了理论容量的实现。基于多价金属例如碱土金属的蓄电池系统理论上具有与锂、钠或钾相当的能量密度。在碱土金属中，由于其低成本、较好的操作性能和较低的毒性，镁是非常引人感兴趣的。重要的是，未知作为阳极材料的镁形成金属枝晶，而例如已知锂阳极形成该枝晶。已经证明了基于镁的水性一次蓄电池，但是水性系统的存在限制了可实现的电池电势，此外为了可能地制备可再充电的水性镁空气蓄电池，必须防止水引起的镁腐蚀。非水性镁空气蓄电池系统将避免水性腐蚀问题，并具有提供二次(可再充电)镁空气蓄电池的潜力。因此，需要提供非水性镁空气蓄电池系统，特别是可再充电的镁空气蓄电池系统。这种蓄电池可用作有效、安全、成本有效的高能量密度系统，特别是用于驱动车辆至少等于或与当前烃燃料系统竞争的距离。
技术实现思路
通过本申请的公开实现这个和其他目的，其第一实施方案包括镁空气蓄电池，其包含：阳极室，其包含含镁、镁合金或能够插入和提取镁的材料的阳极；阴极室，其包含空气阴极、O2源、镁盐和非水性液体；和在阳极室和阴极室之间的膜或分隔体。在第一实施方案的一个方面，非水性液体可以是低挥发性醚和离子液体中的至少一种。在特定方面，低挥发性醚可以选自二甲氧基乙烷(单甘醇二甲醚)、二乙二醇二甲醚(二甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚)或四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚)。在另一特定方面，离子液体可以选自N-甲基-N-丙基哌啶鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PP13TFSI)、N，N-乙基-N-二甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(DEME-TFSA)。在第一实施方案的另一方面，电解质可以包含至少一种阴离子的镁盐，所述阴离子选自双(三氟甲磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、四氟硼酸根阴离子、六氟磷酸根阴离子、硼氢化物阴离子、硼团簇的阴离子和碳硼烷的阴离子。在一个特定的方面，电解质包含选自Mg(C2B10H11)X、Mg(CB11H12)X、Mg(CB11H12)2、Mg(C2B10H11)2、Mg(C2B10H11)(BH4)和Mg(CB11H12)(BH4)的阴离子碳硼烷的镁盐，其中X是Cl-或Br-。在第一实施方案的另一方面，蓄电池的O2源是环境空气。在另一个实施方案中，提供了包含第一实施方案的任何方面的镁空气蓄电池的车辆。通过一般性介绍的方式提供上述段落，并不意图限制所附权利要求的范围。通过结合附图参考以下详细描述，将最好地理解目前优选的实施方案以及其它优点。附图说明图1示出了根据本专利技术的一个实施方案的镁空气蓄电池的示意图。图2示出了实验I的镁蓄电池的阻抗曲线。图3示出了实验I的蓄电池的第一放电曲线。图4示出了实验I的蓄电池的多个放电循环。图5A示出了实验II的蓄电池的第一次放电曲线。图5B示出了实验II的蓄电池的多个放电循环。图6A示出了实验II的原始和放电的阴极材料的XRD分析。图6B示出了来自图6A的放电的阴极材料在预期来自MgO的峰的区中的扩大区域。图7示出了实验II的放电的阴极材料的SEM图像。图8示出了实验II的放电的阴极材料的XPS光谱。图9示出了实验III的蓄电池的放电曲线。图10示出了实验IV的蓄电池的放电曲线。图11示出了实验V的蓄电池的放电曲线。图12示出了实验VI的蓄电池的放电曲线。具体实施方式在本说明书中，除非另有说明，否则描述的所有范围包括其中的所有值和子范围。另外，除非另有说明，不定冠词“一(a)”或“一个(an)”在整个描述中都具有“一个或多个”的含义。在说明数值极限或范围的情况下，包括端点。此外，具体地包含数值极限或范围内的所有值和子范围，就像明确写出那样。“选自由......组成的组”，“选自”等短语包括指定材料的混合物。术语例如“包含”等是意指“至少包括”的开放式术语，除非另有明确说明。在本说明书中，作为阴极材料的术语空气、氧气和O2可以互换使用，除非特别限定。普通技术人员将会理解，O2是氧化还原活性阴极成分，无论是描述为空气、氧气还是O2，意思是可理解的。在某些描述中，可以将空气或纯O2描述为阴极成分的来源，并且从公开的要点将清楚地理解说明的含义。此外，在下面的描述中，由离子渗透膜(也称为固态离子导体)形成的电化学电池的隔室可以描述为“室”，即阴极室用于表示阴极隔室或阳极室表示阳极隔室。在某些情况下，电化学电池和蓄电池可以互换使用。然而，也可以构建具有多个电化学电池的蓄电池。可在以下描述的上下文中理解这些术语的含义。根据本专利技术，术语“车辆”是指设计用于运输包括汽车、货车、公共汽车、高尔夫球车和其他实用形式运输的任何动力驱动的装置。专利技术人正在对后锂离子蓄电池技术进行广泛和详细的研究，以寻找和开发具有适用于特定用途的容量和电压的新型和改进的能量供应系统。具有高容量和高工作电势的金属氧蓄电池是这种研究的目标，并且在本项持续研究中，专利技术人公开了一种新型和新颖的镁空气蓄电池，其提供克服与常规已知的锂空气蓄电池相关的许多问题的潜力。因此，根据一个实施方案，提供了一种镁空气蓄电池，其包含：阳极隔室，该阳极隔室包含含有镁、镁合金或能够插入和提取镁的材料的阳极；阴极隔室，该阴极隔室包含空气阴极、O2源、镁盐和非水性液体；以及分离阳极和阴极隔室的膜。图1中示出了实施方案的元件的结构和功能的示意图。间隔物可以放置在空气阴极和分隔体或膜之间以在阴极和膜之间赋予并保持设定的距离间隙。通过在阴极隔室和阳极隔室之间放置膜例如玻璃纤维分隔体而获得的分离的电池结构可以防止阳极隔室的镁离子与来自阴极隔室的还原的O2自由基的直接反应。因此，在阳极附近保持镁离子的工作浓度。膜或分隔体可以是固态导体，其不仅分离阴极和阳极以防止短路，而且还保护湿敏性阳极免受在阴极处可进入蓄电池的水或二氧化碳，并且因此可以允许使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁空气蓄电池，包括：阳极隔室，其包含含有镁、镁合金或能够插入和提取镁的材料的阳极；阴极隔室，其包含空气阴极、O2源、镁盐和非水性液体；和在阳极隔室和阴极隔室之间的膜或分隔体。

【技术特征摘要】
2016.08.05 US 15/229,8011.一种镁空气蓄电池，包括：阳极隔室，其包含含有镁、镁合金或能够插入和提取镁的材料的阳极；阴极隔室，其包含空气阴极、O2源、镁盐和非水性液体；和在阳极隔室和阴极隔室之间的膜或分隔体。2.根据权利要求1所述的镁空气蓄电池，其中所述非水性液体是低挥发性醚和离子液体中的至少一种。3.根据权利要求1所述的镁空气蓄电池，其中所述非水性溶剂包含低挥发性醚，且所述低挥发性醚选自二甲氧基乙烷(单甘醇二甲醚)、二乙二醇二甲醚(二甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚)或四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚)。4.根据权利要求1所述的镁空气蓄电池，其中所述非水性溶剂包括离子液体，并且所述离子液体选自N-甲基-N-丙基哌啶鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(PP13TFSI)、N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(DEME-TFSI)。5.根据权利要求1所述的镁空气蓄电池，其中所述非水性溶剂包含离子液体和低挥发性醚，其中所述离子液体是至少一种阴离子的镁盐，所述阴离子选自双(三氟甲磺酰基)酰亚胺阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子、四氟硼酸根阴离子和六氟磷酸根阴离子。6.根据权利要求1所述的镁空气蓄电池，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·辛格，T·S·阿瑟尔，水野史教，
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