具有调谐的疏水性的金属-空气电池制造技术

一种包括电解质的电化学电池，该电解质包括水和包括正离子和负离子的疏水离子液体。该电化学电池还包括被配置为吸收和还原氧气的空气电极。亲水的或吸湿的添加剂调节离子液体的疏水性以将电解质中水的浓度维持在0.001mol％和25mol％之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及电化学金属-空气电池，并且更特别地涉及具有包括调谐的疏水离子液体的离子导电介质的电化学金属-空气电池。
技术介绍
金属-空气电池通常包括金属燃料在其上被氧化的燃料电极、氧气在其上被还原的空气电极以及用于提供离子电导率的电解质。常规金属-空气电池的一个重要限制因素是电解质溶液(即离子导电介质)的挥发，尤其是诸如含水电解质溶液中的水等溶剂的挥发。因为空气电极需要是空气可渗透的以吸收氧气，所以也可能允许诸如水蒸气等溶剂蒸气从电池逸出。经过一段时间后，由于溶剂的枯竭，电池变得不能有效地运行。确实，在许多电池设计中，该挥发问题致使电池在燃料耗尽之前无法运行。并且该问题在二次(即可充电的)电池中会恶化，因为燃料可以在电池的寿命中被重复地再充电而电解质溶液却不能(缺少来自外部来源的补充)。此外，存在与含水电解质电池有关的两个其它问题再充电期间的水电解和自身放电。在再充电期间，电流流过电池以在燃料电极处还原被氧化的燃料。然而，一些电流电解水，结果导致如下反应式所表示的在燃料电极处的氢气析出(还原)以及在氧电极处的氧气析出(氧化)(I)还原2H20(1)+2( — H2(g) +20F(aq)以及(2)氧化2H20(1) — O2 (g) +4H+(aq) +4e_如此，含水电解质进一步从电池损失。此外，在还原氢气中所消耗的电子不可用以还原燃料氧化物。因此，含水电解质的寄生电解降低了二次电池的循环效率。自身放电可能由电极中的杂质或者与电解质的反应造成。通常，由电极中的杂质所造成的自身放电小(每月2-3%的损耗)。然而,活泼金属与水和/或溶解在水中的氧气的反应可能相当高(每月20-30% )。为了弥补这些问题，具有含水电解质溶液的金属-空气电池通常被设计成含有相对大容量的电解质溶液。一些电池设计甚至结合了用于从附近的储液器补充电解质以维持电解质水平的装置。然而，任一方法既增加了电池的总体尺寸，也增加了电池的重量，却没有增强电池性能(除非确保有大容量的电解质溶液用以抵消经过一段时间后水或者其它溶剂的挥发)。具体地，电池性能一般由燃料特性、电极特性、电解质特性以及可用于发生反应的电极表面面积量来决定。但是电池中电解质溶液的容量对电池性能一般没有明显有益的影响，因此一般仅仅依据基于体积和重量的比值(功率比容量或重量，以及能量比容量或重量)来减损电池性能。另外，过量的电解质容量可能造成电极之间更大的间距，这可能增加欧姆电阻并且减损性能。用于电化学电池的非水系统的使用已经被建议(例如，见美国专利5827602)。在非水系统中，含水电解质可以被离子液体取代。然而，含有诸如AlCl3等强Lewis酸的离子液体被公知为受潮时释放出有毒气体。防潮因而不产生有毒气体的疏水离子液体的使用已经被研究以用于密封的锂离子电池。具有适合用于金属-空气电池的疏水电解质将是有利的
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及包括离子导电介质的电化学电池，该离子导电介质包括疏水离子液体和至少一种亲水添加剂，该疏水离子液体包括正离子和负离子。电池还包括用于氧化燃料的燃料电极以及被配置为吸收和还原气态氧的空气电极。吸湿添加剂调节离子液体的疏水性以当该离子液体在标准状态下横跨15%到95%的相对湿度被暴露给周围空气时将离子导电介质中水的浓度维持在O. lmol%和25mol%之间。在优选的实施例中，亲水添加剂是吸湿的。本专利技术的另一个实施例涉及用于电化学电池的离子导电介质本身。本专利技术的其它目的、方面和优点通过下面的具体描述、附图和所附权利要求书将变得显而易见。附图说明本专利技术可以通过参考下面的描述以及用于示出本专利技术的实施例的附图被最好地理解。图I是用于胆碱双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺/ZnCl2的作为时间的函数的水浓度的曲线图。图2是根据本专利技术的实施例的电化学电池的示意图。具体实施例方式本专利技术的实施例包括具有其水溶度在O. 001%和25% (mol)之间的疏水离子液体的电化学电池。出于该应用的目的，除非另有陈述，本文所有百分数均以PPm为单位。优选地，水溶度在0.1%和10%之间。优选地，水溶度在1%和5%之间。可替换地，含水量可以在O. 001%和1%之间。可替换地，含水量可以在O. 1%和1%之间。优选地，疏水离子液体与空气-金属电池的阳极金属兼容并且能够支持一种或多种被还原的氧类物质。疏水离子液体还能够优选地支持用于再充电的氧化物氧化并且对于在电池中产生的电化学反应产物具有高的溶解度。在20°C的温度和I个大气压的压力(即标准状态)下，随着相对湿度从O. 1%变化到99%或者从10%变化到90%，本专利技术的实施例将含水量维持在O. 001%和25%之间。在20°C的温度和I个大气压的压力下，随着相对湿度从O. 1%变化到99%，其它实施例将含水量维持在O. I %和10%之间。在20°C的温度和I个大气压的压力下，随着相对湿度从10%变化到90%，其它实施例将含水量维持在O. 5%和10%之间。在20°C的温度和I个大气压的压力下，随着相对湿度从10%变化到90%，还有其它实施例将含水量维持在O. 1%和10%之间。所有这些状态一般指的是周围空气(即正常大气空气)，该周围空气是电池的典型运行环境，并且该空气可以通过如下所述的空气电极的孔隙被暴露给离子液体。离子液体一般指的是形成包含离子的稳定液体的盐。也就是说，离子液体完全被离解，主要由负离子和正离子所构成。因此，离子液体固有地导电。进一步，离子液体具有可忽略的蒸气压力、低的粘度、宽的液相线范围(直到400°C )、高的热稳定性和大的电化学窗口(>5V)。由于这些特性，在电化学电池的充电/放电周期期间，离子液体通常不会挥发或者被消耗掉。本专利技术的实施例包括在其熔点之上的20°C具有I毫米汞柱或以下以及优选地在其熔点之上的20°C具有O. I毫米汞柱或以下或零或本质上不可测量的蒸气压力的离子液体。室温离子液体(RTIL)是在100°C或以下、I个大气压的压力下形成稳定液体的盐(即，其具有在I个大气压下位于100°C或以下的熔点)。出于该应用的目的，低温离子液体定义为具有在I个大气压下位于150°C或以下的熔点的离子液体。低温离子液体还可以包括RTIL类物质。 然而，即使通过其各自在I个大气压下的熔点定义低温或者室温离子液体，在一些实施例中，电池可以在具有不同压力的环境中运行，并且因此熔点可以随运行压力而变化。因此，参考在I个大气压下的熔点被用作参考点以定义这些液体，并且没有暗示或者限制其在运行中的实际使用条件。IL 一般有两种形式质子的和非质子的。质子IL具有可以被氧化或被还原或者可以与诸如被还原的氧等负离子配位的可用质子。这些可用质子已经被发现可以增加氧的还原反应。质子IL的一些例子由阴离子四氯铝酸盐、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、甲基磺酸盐、硝酸盐和醋酸盐，以及阳离子三乙基铵、二乙基甲铵、二甲基乙铵、二甲基乙铵三氟甲磺酸酯、乙基铵、α -甲基吡啶鎗、吡啶鐵，以及1，8-双(二甲胺基)萘、2，6- 二-叔丁基批啶，以及胍(guanadines)的衍生物的组合所合成。非质子IL通常不具有质子活性。非质子RTIL的一些例子由阴离子氯离子(Cl—)、六氟磷酸盐(PF6-)、碘离子、四氟硼酸盐、双(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·A·弗里森，R·克里施南，T·唐，D·沃尔夫，
申请(专利权)人：流体公司，
类型：
国别省市：