專利名稱：鋰離子空氣電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有嵌入電極的鋰離子空氣電池。更具體地，本發(fā)明涉及ー種通過(guò)防止由反復(fù)充電/放電循環(huán)引起的枝晶的形成以改進(jìn)電池的充電/放電循環(huán)的持久性和安全性的鋰離子空氣電池。
背景技術(shù)：
由于不斷増加的對(duì)于環(huán)境保護(hù)和污染問(wèn)題的公眾關(guān)注，已經(jīng)出現(xiàn)了很多對(duì)于替代能源發(fā)展的研究。作為發(fā)展可替代能源的ー個(gè)領(lǐng)域，典型的電池系統(tǒng)可粗略地劃分為鋰金屬電池和鋰離子電池。如圖I所示，利用鋰金屬I作為陽(yáng)極并允許陰極2在充電/放電過(guò)程中進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)的鋰金屬電池，具有大的初始容量和大約5，200瓦時(shí)/千克的高的理論能量 的充電/放電的容量和效率，以及安全性。為了克服以上的這些限制，發(fā)展了如圖2所示的鋰離子電池。鋰離子電池運(yùn)用了通過(guò)將碳材料替代鋰金屬作為陽(yáng)極，鋰離子在充電/放電過(guò)程中嵌入到碳材料中的嵌入技木。因?yàn)槭褂锰疾牧献鳛殛?yáng)極，金屬表面的枝晶形成在相當(dāng)大的程度上減少了，從而改進(jìn)了電池的安全性和充電/放電的效率。因?yàn)殇囯x子電池的普及性，相當(dāng)多對(duì)于鋰離子電池的投資和發(fā)展都聚焦于它們?cè)诨旌蟿?dòng)カ車、插電式混合動(dòng)カ車和電動(dòng)車中的適用性。結(jié)果是，鋰離子電池已經(jīng)被應(yīng)用到電動(dòng)車?yán)缁旌蟿?dòng)カ車上。然而，鋰離子電池具有的能量密度遠(yuǎn)低于鋰金屬電池(例如，石墨/LiCoO2的理論值是大約390瓦吋/千克)。根據(jù)日本的新能源與エ業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)，能量密度的最大期望值為大約250瓦吋/千克(例如，理論上的能量密度為大約570瓦時(shí)/千克，而現(xiàn)有水平為大約120瓦吋/千克)。同時(shí)，裝備有鋰離子電池的汽車的一次充電所能達(dá)到的行駛距離似乎還是比大約500千米的距離要少，而500千米是內(nèi)燃機(jī)汽車的一次燃料注入所能達(dá)到的近似行駛距離。特別地，因?yàn)榈湫偷匿囯x子電池使用碳材料的陽(yáng)極，相比于使用鋰金屬作為陽(yáng)極的鋰空氣電池，其放電容量可能在相當(dāng)大的程度上被減少。因此，需要具有更高的且超過(guò)典型鋰離子電池的能量密度的車用新型電池。作為用于下一代汽車的電池之一，圖I所示的鋰空氣電池價(jià)格低且具有高能量密度(大約5，200瓦吋/千克)。然而，如上所述，因?yàn)槭褂娩嚱饘買作為陽(yáng)扱，仍然存在安全性的考慮和持久性的問(wèn)題，其中由反復(fù)的充電/放電循環(huán)引起的枝晶，降低了充電/放電的周期。在背景部分公開的以上信息僅為加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的的理解，從而可能包括了并不構(gòu)成被本國(guó)領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員所熟識(shí)的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鋰離子空氣電池，其包括含有鋰離子的、插入到陰極(空氣電極)和鋰金屬電極之間的嵌入電極(intercalation electrode),其中，鋰離子通過(guò)鋰金屬電極的插入被充入用作陽(yáng)極的嵌入電極中，而陰極上則產(chǎn)生氧化-還原反應(yīng)。在一個(gè)說(shuō)明性的實(shí)施方式中，嵌入電極可以包括網(wǎng)式金屬和涂布在網(wǎng)式金屬的兩個(gè)表面上的可嵌入材料。該可嵌入的材料可以是碳材料、石墨、硅、錫或者氧化鋰錫(LTO)中的任意ー種。在另ー個(gè)實(shí)施方式中，中間層電極可以通過(guò)與鋰金屬電極連接 的電路再充電而具有鋰離子。本發(fā)明的其他方面和實(shí)施方式在下文進(jìn)行討論。


以上的和其他本發(fā)明的特征將參考ー些在附圖中說(shuō)明的示例性實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)說(shuō)明，附圖在后面僅以說(shuō)明的方式給出，因而不限制本發(fā)明，其中圖I是表明典型鋰金屬(鋰空氣)電池的構(gòu)造和反應(yīng)機(jī)理的示意圖；圖2是表明典型鋰離子電池的構(gòu)造和反應(yīng)機(jī)理的示意圖；圖3是表明根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的鋰離子空氣電池的初始狀態(tài)的示意圖；圖4是表明根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的鋰離子空氣電池的初始狀態(tài)的示意圖，其中鋰離子嵌入到嵌入電極中。圖5是表明根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的鋰離子空氣電池的充電/放電狀態(tài)的示意圖。附圖中出現(xiàn)的相關(guān)數(shù)字包括對(duì)下列將在后面進(jìn)ー步討論的部件的附圖標(biāo)記I:鋰金屬電極2:陰極(空氣電極)3:嵌入電極4:隔板5 電解質(zhì)應(yīng)該理解的是附圖不必要成比例，而是呈現(xiàn)對(duì)闡明本發(fā)明基本原理的各種特征的略微簡(jiǎn)化的表示。在這里公開的本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)特征包括，例如，具體的尺寸、取向、位置和形狀將部分地由有特定意向的應(yīng)用和使用環(huán)境來(lái)確定。在整個(gè)附圖部分的各圖中，圖中的相關(guān)數(shù)字指代本發(fā)明的相同或等同的部分。
具體實(shí)施例方式在下文中將詳細(xì)地做出對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式的參考，其中的實(shí)施例在附圖中進(jìn)行圖解并在后面進(jìn)行說(shuō)明。因?yàn)楸景l(fā)明將結(jié)合示例性實(shí)施方式一起說(shuō)明，應(yīng)該理解的是當(dāng)前的說(shuō)明不意在用那些示例性實(shí)施方式來(lái)限制本發(fā)明。相反的是，本發(fā)明意在包括不僅是示例性實(shí)施方式，還包括各種替代、更改、等同物和其他實(shí)施方式，而其可以包括在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，且由附加的權(quán)利要求限定。
應(yīng)該理解的是，在這里用到的術(shù)語(yǔ)“車輛”或者“車輛的”或其他相似的術(shù)語(yǔ)包括一般的機(jī)動(dòng)車輛，例如載客汽車，包括運(yùn)動(dòng)型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車；包括多種小船和海船在內(nèi)的船只；飛行器等，而且包括混合動(dòng)カ車、電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)カ車、氫動(dòng)力車和其他燃料車(例如，從非石油類資源得來(lái)的燃料)。在這里提及的，混合動(dòng)カ車是具有兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)カ來(lái)源的車，例如同時(shí)為汽油動(dòng)カ和電動(dòng)カ的車。本發(fā)明涉及一種鋰離子空氣電池，其包括含有鋰離子的、插入到陰極(空氣電極)和鋰金屬電極之間的嵌入電極，其中，鋰離子通過(guò)鋰金屬電極的嵌入被充到用作陽(yáng)極的嵌入電極中，而陰極上則產(chǎn)生氧化-還原反應(yīng)。在下文中，本發(fā)明將參考附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施方式的鋰離子空氣電池包括分別按順序堆疊在鋰金屬電極I兩側(cè)的隔板4、嵌入電極3、隔板4和陰極2，而電解質(zhì)5則浸潰在它們之間。圖3A示出了在制造了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的電池單元之后但在定期充電/放電 之前(顯示電池單元的實(shí)際性能)的初始電池單元。在圖3B中，只有初始電池單元的鋰金屬電極I和嵌入電極3與電路連接，因此鋰金屬的鋰離子穿過(guò)夾層運(yùn)動(dòng)到嵌入電極3以充電并儲(chǔ)存。通過(guò)初始的一次性充電過(guò)程，圖3A所示的初始電池單元的嵌入電極3被完全充有鋰離子，鋰金屬電極I和嵌入電極3之間的電路被短路，然后如圖4C所示的空氣電極2和充有鋰離子的嵌入電極3可以被連接到電路以被用作實(shí)際的電池。換句話說(shuō)，因?yàn)榍度腚姌O3在制造電池單元的初始階段沒(méi)有被充有鋰離子，電路可以被連接在鋰金屬電極I和嵌入電極3之間以允許鋰離子通過(guò)初始的一次充電從作為鋰離子來(lái)源的鋰金屬電極I移動(dòng)到嵌入電極3，然后將鋰金屬電極I和嵌入電極3之間的電路進(jìn)行短路。之后，為了顯示實(shí)際電池單元的性能，空氣電極2和充有鋰離子的嵌入電極3可以與電路連接，然后進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生電能。在這種情況下，不使用鋰金屬電極I。圖4C說(shuō)明了包括嵌有鋰離子的嵌入電極3的電池單元的初始狀態(tài)，其中鋰金屬電極I和嵌入電極3之間的連接被短路，并且嵌入電極3和空氣電極2通過(guò)電路來(lái)連接。在圖和5E中，反復(fù)的充電/放電可以發(fā)生在充有從鋰金屬電極嵌入的鋰離子的嵌入電極3和陰極電極2之間。如圖所示，當(dāng)運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的鋰離子空氣電池的電池單元時(shí)，可以將鋰離子從充有鋰離子的嵌入電極3放電到空氣電極2，并且，如圖5E所示，將鋰離子從空氣電極2被充電到嵌入電極3。這樣的充電/放電循環(huán)可以重復(fù)進(jìn)行以產(chǎn)生電能。同時(shí)，如以上提及的，當(dāng)電池單元運(yùn)行時(shí)，在嵌入電極3的初始一次充電之后并不使用鋰金屬電極1，但是對(duì)嵌入電極3的鋰離子的利用可能會(huì)因?yàn)殡姵貐g元的反復(fù)充電/放電循環(huán)而減少。在這種情況下，可以再次連接鋰金屬電極I和嵌入電極3的電路以另外地充電嵌入電極而具有鋰離子。也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的鋰離子空氣電池可以通過(guò)初始階段過(guò)程中在鋰金屬電極I上的嵌入反應(yīng)，之后通過(guò)充電/放電過(guò)程中在空氣電極2上的氧化-還原反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。而且，可以通過(guò)將形成和支撐電極結(jié)構(gòu)的電極金屬的兩個(gè)表面都用可以嵌入鋰離子的材料涂布以形成嵌入電極3。更詳細(xì)地，嵌入電極可以通過(guò)使用能夠被用作為電極的金屬而形成為具有能夠使鋰離子雙向運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，即，從鋰金屬電極I充電的鋰離子可以移向空氣電極2的網(wǎng)式結(jié)構(gòu)?？汕度氩牧系睦涌梢园ㄌ疾牧?、石墨、硅(Si)、錫(Sn)和氧化鋰錫(LTO)。特別地，因?yàn)榘ü韬辖稹⒀趸韬湾a的用于嵌入電極的材料具有比碳材料或石墨更大的鋰離子充電容量，因此，使用這些材料的嵌入電極3可以包含大量的鋰離子以增加電池的能量密度。因此，本發(fā)明提供了具有將電極(嵌入電極)插入鋰金屬電極和空氣電極之間以實(shí)現(xiàn)嵌入的結(jié)構(gòu)的鋰離子空氣電池。該鋰金屬電極可以僅在初始階段一次使用，以對(duì)嵌入電極進(jìn)行充電而具有鋰離子。當(dāng)電池單元實(shí)際運(yùn)行時(shí)，充有鋰離子的嵌入電極3，而非鋰金屬電極，用作陽(yáng)極。因而，與將鋰金屬作為陽(yáng)極的典型鋰空氣電池相比，可以防止枝晶的形成。同時(shí)，可以改進(jìn)在充電/放電循環(huán)中的安全性和容量以增加電池的充電/放電周期的
耐久性以及安全性。另外，與典型的鋰離子電池相比，空氣電極的容量増加了，從而，改進(jìn)了能量密度。因此，可以期望根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的鋰離子空氣電池適用于需要高能量和高耐久性的電動(dòng)車，以及特別地，可以期望會(huì)對(duì)具有和當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)汽車相當(dāng)?shù)睦锍毯湍途眯运降男乱淮妱?dòng)車的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在下文中，將具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，但并不僅限于此。
實(shí)施例下列的實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明而不意在限制本發(fā)明。使用作為鋰離子來(lái)源的鋰金屬(鋰金屬箱，Hohsen Corp.)、通過(guò)涂布混合有大約80%的導(dǎo)電性的碳(來(lái)自Mitsubishi Chemical的Ketjen Black EC-300J)的化合物形成的陰極(空氣電極)、大約15%的粘合劑(來(lái)自Kynar的PVdF)、和在孔型泡沫鎳上的催化劑(來(lái)自Aldrich的氧化猛)、通過(guò)將石墨(產(chǎn)自Showa Denko)涂布在網(wǎng)式銅金屬的兩個(gè)表面而形成的且被插入到鋰金屬和陰極之間的嵌入電極、電解液(1M LiCF3S03/0. 5M1^ 51+01^[1，2-ニ甲氧基こ燒，無(wú)水的，99.5% ]產(chǎn)自Aldrich)、以及隔板(玻璃纖維)來(lái)制造鋰離子空氣電池。用以上方式制造的鋰離子空氣電池通過(guò)在初始階段(在電池單元的充電/放電操作開始前)對(duì)嵌入電極充入來(lái)自鋰金屬的鋰離子，然后利用嵌入電極作為鋰離子空氣電池的陽(yáng)極以結(jié)合空氣電極一起進(jìn)行電-化學(xué)充電/放電來(lái)產(chǎn)生電能。甚至當(dāng)使用通過(guò)在銅金屬上利用硅合金或錫合金代替石墨制造的嵌入電極時(shí)，也可以正常地發(fā)電。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的鋰離子空氣電池可以克服典型的鋰離子電池的相對(duì)低的能量密度、典型的鋰空氣電池的枝晶的產(chǎn)生和容量的減少，因此達(dá)到了相比于典型的鋰離子電池的顯著改進(jìn)的能量密度，和相比于鋰金屬電池的改進(jìn)的安全性和充電/放電周期的耐久性。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的鋰離子空氣電池可以用作需要高能量和高耐久性的電動(dòng)車的電池。本發(fā)明已經(jīng)參考實(shí)施方式作了詳細(xì)的說(shuō)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到可以在這些實(shí)施方式中進(jìn)行各種變化而不脫離本發(fā)明的原理和精神，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等效物限定
權(quán)利要求
1.一種鋰離子空氣電池，包括 鋰金屬電極； 空氣電極；和 浸潰于所述鋰金屬電極和所述空氣電極之間的嵌入電極，其中所述嵌入電極被充有從所述鋰金屬電極嵌入的鋰離子且隨后被用作陽(yáng)極，并由與作為陰極的所述空氣電極的反應(yīng)而產(chǎn)生電能。
2.如權(quán)利要求I所述的鋰離子空氣電池，其中所述嵌入電極包括網(wǎng)式金屬和涂布在所述網(wǎng)式金屬的兩個(gè)表面的可嵌入材料，并且，所述可嵌入材料選自碳材料、石墨、硅、錫和氧化鋰錫(LTO)。
3.如權(quán)利要求I所述的鋰離子空氣電池，其中所述嵌入電極通過(guò)與所述鋰金屬電極連接的電路可再充有鋰離子。
4.一種電路,包括 電連接到嵌入電極的空氣電極，以由與作為陰極的所述空氣電極反應(yīng)而產(chǎn)生電能， 其中所述嵌入電極被浸潰于鋰金屬電極和所述空氣電極之間，所述嵌入電極被充有從所述鋰金屬電極嵌入的鋰離子且隨后被用作陽(yáng)極。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其中所述嵌入電極包括網(wǎng)式金屬和涂布在所述網(wǎng)式金屬的兩個(gè)表面的可嵌入材料，并且所述可嵌入材料選自碳材料、石墨、硅、錫和氧化鋰錫(LTO)。
6.如權(quán)利要求4所述的電路，其中所述嵌入電極通過(guò)與所述鋰金屬電極連接的電路可再充以鋰離子。
7.一種用于鋰離子空氣電池充電的方法，包括 對(duì)通過(guò)第一電路連接的，浸潰于鋰金屬電極和空氣電極之間的嵌入電極進(jìn)行初始充電； 將鋰離子儲(chǔ)存在所述嵌入電極內(nèi)； 使所述第一電路短路； 將已充電的嵌入電極通過(guò)不與所述鋰金屬電極連接的第二電路連接到所述空氣電極上；以及 使用所述嵌入電極作為陽(yáng)極，所述空氣電極作為陰極，通過(guò)所述已充電的嵌入電極和所述空氣電極之間的反應(yīng)產(chǎn)生電能。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鋰離子空氣電極。該鋰離子空氣電池包括鋰金屬電極、空氣電極和在它們之間的嵌入電極。該嵌入電極被充有從鋰金屬電極嵌入的鋰離子，且隨后用作陽(yáng)極。由嵌入電極與作為陰極的空氣電極的反應(yīng)而產(chǎn)生電能。
文檔編號(hào)H01M10/44GK102655249SQ20111016889
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者孫蔘翼, 柳京漢, 柳熙淵 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車株式會(huì)社