電極和包括電極的儲(chǔ)能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電極（10），尤其是用于金屬氧氣電池的氣體擴(kuò)散電極。為了實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能能力、諸如改進(jìn)的能量密度或者改進(jìn)的容量，所述電極（10）包括多孔的載體襯底（12），在該載體襯底上布置多孔的活性材料（14），其中所述電極（10）在載體襯底（12）和活性材料（14）之間具有平均孔大小的梯度。本發(fā)明還涉及一種包括本發(fā)明電極的儲(chǔ)能器。
【專利說明】電極和包括電極的儲(chǔ)能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極，如尤其是氣體擴(kuò)散電極。本發(fā)明尤其是涉及一種用于金屬氧氣蓄電池的氣體擴(kuò)散電極和一種包括該氣體擴(kuò)散電極的金屬氧氣蓄電池。
【背景技術(shù)】
[0002]為了減少排放，諸如機(jī)動(dòng)車的局部排放，目前加強(qiáng)發(fā)展混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)概念或者純電氣驅(qū)動(dòng)概念。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的電機(jī)運(yùn)行的前提是車輛中的電儲(chǔ)能器。
[0003]為了例如相對于傳統(tǒng)的鋰離子電池改善儲(chǔ)能器的能量密度或能函，金屬氧氣電池或金屬氧氣蓄電池是有成功希望的。在此例如已知鋰空氣電池和鋅空氣電池，利用它們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高的能量密度。
[0004]用于這種金屬空氣電池的常見的氣體擴(kuò)散陰極具有導(dǎo)流體，該導(dǎo)流體可以是鋁延性金屬或者多孔的鎳泡沫。作為活性材料可以將碳/粘合劑混合物置入到導(dǎo)流體中。這例如可以通過擠壓或者通過超聲波的滲透來進(jìn)行。
[0005]氣體擴(kuò)散電極的制備因此目前大多通過施加膏體來進(jìn)行，該膏體可以具有碳、粘合劑和添加劑。膏體被施加到鎳泡沫上或者替代地施加到延性金屬、諸如招上。鎳泡沫為此例如可以置入到膏體中，其中在超聲波處置的情況下金屬泡沫的孔一大多在0.5 -
1.0mm的數(shù)量級——充滿。為了給延性金屬鍍層施加含碳的增附劑。真正的活性膏體被延展到聚合物膜上并且在再層壓過程中通過熱方式被轉(zhuǎn)入到延性金屬中。由此在如此制成的陰極結(jié)構(gòu)的情況下活性層在整個(gè)厚度上分布。因此，電化學(xué)碳減少在碳/陰極的界面處以及在電解質(zhì)/陰極的界面處發(fā)生。
[0006]利用傳統(tǒng)的金屬碳蓄電池，可以有關(guān)包括碳、粘合劑和其他添加劑的活性陰極物質(zhì)實(shí)現(xiàn)700-800mAh/g范圍內(nèi)的容量。但是在此常常根據(jù)電池構(gòu)造有時(shí)在幾個(gè)充電/放電循環(huán)之后容量就可能已經(jīng)下降至約300mAh/g和以下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主題是一種電極，尤其是一種用于金屬氧氣電池的氣體擴(kuò)散電極，包括多孔的載體襯底，在該載體襯底上布置有多孔的活性材料，其中所述電極在載體襯底和活性材料之間具有平均孔大小的梯度。
[0008]在本發(fā)明意義下的活性材料可以尤其是理解為如下材料，其例如在基于鋰的蓄電池中使用本發(fā)明電極的情況下可以可逆地接納和輸出鋰離子。接納在此情況下例如可以通過所謂的插入或者通過形成合金或形成亞穩(wěn)的化學(xué)化合物來進(jìn)行。關(guān)于其他物質(zhì)的相應(yīng)活性在此可以在另外使用尤其是其他蓄電池的情況下給出。
[0009]載體襯底可以在本發(fā)明的意義下尤其是理解為如下襯底，其尤其是賦予了一大部分機(jī)械穩(wěn)定性并且例如可以用作為基元件。
[0010]多孔的活性材料或多孔的載體襯底可以在本發(fā)明的意義下尤其是理解為如下活性材料或載體襯底，其尤其是具有打開的孔，也即尤其是構(gòu)造有打開的多孔性并且因此氣體可通過。
[0011]載體襯底和活性材料之間的平均孔大小的梯度可以在本發(fā)明的意義下尤其意味著，活性材料的平均孔大小大于載體襯底的平均孔大小。在此，孔大小可以連續(xù)改變、也即存在孔大小的連續(xù)變化，或者可以設(shè)置跳躍性的變化。這例如可以意味著，活性材料中的孔大小和載體襯底中的孔大小分別統(tǒng)一并且在活性材料和載體襯底之間的邊界處存在躍變。
[0012]通過活性材料和載體襯底的孔大小或孔大小分布的根據(jù)本發(fā)明的梯度，產(chǎn)生如下的電極結(jié)構(gòu)，在該電極結(jié)構(gòu)中，輸送氣體的層、也即尤其是載體材料與反應(yīng)層或反應(yīng)空間、也即尤其是活性材料分開。這種分開可以根據(jù)本發(fā)明尤其是通過以下方式來進(jìn)行，即盡管氣體可以流過載體襯底的較小的孔，但是另一反應(yīng)伙伴——如尤其是活性材料或者其一部分——不能滲入到載體襯底的孔中。通過氣體輸送和反應(yīng)空間的這種分隔，諸如可以阻止氣體從電極外部進(jìn)入到載體襯底中并且從那里流向活性材料或流入到活性材料中。通過載體襯底和活性材料之間的平均孔大小的梯度，活性材料的反應(yīng)基本上僅僅在反應(yīng)空間中發(fā)生，該反應(yīng)空間位于活性材料中并且在使用液態(tài)電解質(zhì)的情況下例如可以被電解質(zhì)浸濕，或者所述活性材料的反應(yīng)在活性材料的孔中發(fā)生。
[0013]根據(jù)本發(fā)明可以通過如下方式阻止或者至少明顯地減小或延遲:可通過載體襯底的孔形成的氣體入口通道被例如在充電或放電過程期間形成的反應(yīng)產(chǎn)物變窄或完全堵塞。換句話說，載體襯底中的氣體入口通道或孔可以在完全的充電循環(huán)或放電循環(huán)期間保持其例如在用作為金屬氣體電池中的氣體擴(kuò)散電極時(shí)的氣體輸送特性。反應(yīng)位置處的氧氣供給因此也可以在越來越多地形成反應(yīng)產(chǎn)物的情況下更長地或者甚至完全地保持，這尤其是可以在涉及陰極鍍層的情況下導(dǎo)致可用放電容量的提高。由此可以改善最大陰極容量的充分利用以及增大循環(huán)耐性。
[0014]因?yàn)檠舆t或阻止了孔或氣體入口通道的堵塞，因此通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)在所采用的活性物質(zhì)的情況下在電池單池容量方面的獲益。因此可以最佳地充分利用電極的現(xiàn)有的孔體積，其中可以插入較大量的反應(yīng)產(chǎn)物并且由此可以在較長的時(shí)段內(nèi)或以較大的規(guī)模實(shí)現(xiàn)提供能量的反應(yīng)。因此可以通過本發(fā)明電極實(shí)現(xiàn)電池單池容量的顯著升高。
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)構(gòu)型的范圍內(nèi)，載體襯底可以是液體不能通過的。通過這樣構(gòu)造的載體襯底，即使在使用液態(tài)電解質(zhì)的情況下也可以特別有效地阻止該電解質(zhì)進(jìn)入到載體襯底中或進(jìn)入到載體襯底的孔中并且在那里在形成諸如固體反應(yīng)伙伴的情況下實(shí)施與活性材料或該活性材料的活性部分的反應(yīng)。因此在該構(gòu)型中還可以進(jìn)一步阻止氣體入口通道的堵塞并且還可以進(jìn)一步改善電極的性能能力。載體襯底的體液不能通過性在此可以通過非常不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如可以如此調(diào)整孔大小，使得所述孔大小對于液體的進(jìn)入或者通過、尤其是對于液態(tài)電解質(zhì)來說尺寸被確定得過小。
[0016]可替換地可以通過適當(dāng)?shù)劐儗觼碜柚挂后w的可滲透性。在此尤其可以有利的是，載體襯底具有疏水物質(zhì)，也即例如在載體襯底的孔中布置疏水物質(zhì)。這在本發(fā)明的范圍內(nèi)尤其是可以意味著，疏水物質(zhì)布置在載體襯底中的孔的內(nèi)壁處或者被施加在那里。通過所述疏水物質(zhì)可以特別有效地阻止例如液態(tài)電解質(zhì)進(jìn)入到載體襯底的孔中。作為用于鍍層以及因此以期望方式調(diào)整載體襯底的表面特性和因此液體傳輸特性的合適材料例如可以選擇聚四氟乙烯(PTFE)。
[0017]在本發(fā)明的另一構(gòu)型的范圍內(nèi)，載體襯底可以至少部分地由碳化的聚合物纖維、自傳導(dǎo)聚合物、碳納米管、碳納米纖維和/或金屬化聚合物構(gòu)成或者由上述材料組成。尤其是通過使用這樣的基于碳的載體來代替常見的金屬載體材料可以實(shí)現(xiàn)明顯的重量優(yōu)點(diǎn)。具體地可以通過在大部分中可以放棄諸如金屬、例如鋁或鎳的傳統(tǒng)材料來根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)直至70%的重量節(jié)省，其中所述重量節(jié)省涉及整個(gè)電極料。由此可以一方面增大能量密度，這增大了例如包括本發(fā)明電極的儲(chǔ)能器的性能能力。此外，任何能量節(jié)省都可以諸如在使用這種儲(chǔ)能器作為車輛中的牽引電池的情況下降低能量消耗并且因此例如增大裝備有這種牽引電池的車輛的活動(dòng)范圍。
[0018]此外根據(jù)本發(fā)明可以通過使用基于碳的載體襯底來阻止在特定條件下和在使用特定電解質(zhì)時(shí)發(fā)生電極材料與電解質(zhì)的反應(yīng)。由于電解質(zhì)與電極材料的這種降低的反應(yīng)危險(xiǎn)，可以在較大范圍中自由選擇電解質(zhì)，這能夠?qū)崿F(xiàn)電解質(zhì)以及由此本發(fā)明儲(chǔ)能器與期望的應(yīng)用領(lǐng)域的改進(jìn)的可匹配性。 [0019]此外可以改進(jìn)本發(fā)明電極的制造。具體地，根據(jù)本發(fā)明例如可以放棄增附劑的使用，所述增附劑例如在涂覆活性材料之前被涂覆到延性金屬上。將功能性陰極膏體諸如作為活性物質(zhì)涂覆到基于碳的載體襯底上更確切地說在一個(gè)步驟中并且在沒有相應(yīng)的增附劑的情況下是良好地和可靠地可行的，因?yàn)檩d體襯底本身充當(dāng)增附劑。再層壓或超聲波滲透例如不是必要的。結(jié)果因此可以例如得出尤其是在層厚度、附著性、孔隙率和均勻性方面的更好的可再現(xiàn)性。諸如在干燥期間的離析現(xiàn)象還可以得到避免，因?yàn)槔缈梢杂没诒母囿w來處理，這確保了快速干燥并且由此還在沒有特殊干燥步驟的情況下抵抗解析。
[0020]因此根據(jù)本發(fā)明可以節(jié)省增附劑本身的成本以及節(jié)省工作步驟，這可以更為成本有利地形成用于本發(fā)明電極的制造方法以及電極本身。
[0021]在此可以優(yōu)選，載體襯底至少部分地由基于碳的聚合物纖維——如聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯或者纖維素——構(gòu)造或者由這些材料組成。替換地或者附加地可以優(yōu)選，載體襯底至少部分地由自傳導(dǎo)的聚合物——例如由聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚對苯構(gòu)成的聚合物纖維——構(gòu)成或者由這些材料組成。替換地或者附加地可以優(yōu)選，載體襯底由碳納米管或者碳納米纖維構(gòu)成或者由這些材料組成。替換地或者附加地可以有利的是，載體襯底至少部分地由金屬化的聚合物纖維構(gòu)成或者由這些材料組成。金屬化的聚合物纖維，諸如聚酰胺、聚氨酯、聚酯、聚四氟乙烯，可以具有合適金屬的金屬化部，所述金屬例如招(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈕(Pt)、鉬(Pt)或者金(Au)。所述金屬可以優(yōu)選地通過所謂的“無電”方法例如用鎳作為鍍層來施加。該方法類型是非常常見的并且不限于鎳。替換地可以使用將合適的金屬熱蒸鍍、濺射沉積或者化學(xué)氣相沉積(CVD)到放在前面的纖維上。
[0022]前述聚合物可以特別好地處理，諸如作為毛氈、網(wǎng)或者紙。在此它們可以構(gòu)造成一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，具有合適的孔，并且還適合作為涂覆活性物質(zhì)的基層。
[0023]這種構(gòu)型還有利的是，前述材料、如尤其是碳化的聚合物纖維大多除了良好的導(dǎo)電性以外還具有合適的機(jī)械穩(wěn)定性。由此可以放棄導(dǎo)流體，這節(jié)省了另外的成本。
[0024]在本發(fā)明另一構(gòu)型的范圍內(nèi)，載體襯底可以具有在≥Ιμπι至≤ΙΟΟμπι范圍內(nèi)的平均孔大小，和/或活性材料可以具有在≥2μπι至< 150μπι范圍內(nèi)的平均孔大小。在此，活性層和載體襯底的孔大小應(yīng)當(dāng)彼此匹配為，使得產(chǎn)生期望的梯度。載體襯底中的這種孔大小可以在良好的氣體傳輸能力的情況下有效阻止不希望的物質(zhì)、諸如電解質(zhì)或活性材料進(jìn)入到載體襯底的孔中并且因此在載體襯底中形成固體的反應(yīng)產(chǎn)物并且由此堵塞孔或氣體入口通道。相反在活性材料中可以發(fā)生氣體與活性材料的期望反應(yīng)，由此例如包括本發(fā)明電極的儲(chǔ)能器可以提供電功率。在此在本發(fā)明范圍內(nèi)尤其是指平均孔大小分布，因?yàn)榭兹缟纤龅脑谳d體襯底中或在活性材料中本身是統(tǒng)一的或者例如對于連續(xù)孔大小梯度的情況可以變化。另外在本發(fā)明的意義下，尤其是可以指打開的平均孔大小，其能夠?qū)崿F(xiàn)氣體傳輸。此外可以在載體襯底中存在> 60%至< 80%的孔隙率，而在活性材料中> 70%至(90%的孔隙率可以是合適的。
[0025]在本發(fā)明另一構(gòu)型的范圍內(nèi)，載體襯底可以具有在≥50 μ m至≤300 μ m范圍內(nèi)的厚度，和/或活性材料可以具有在≥5(^111至< IOOym范圍內(nèi)的厚度。諸如載體襯底的這種厚度一方面良好地適用于氣體傳輸并且還提供本發(fā)明電極的足夠穩(wěn)定性。關(guān)于活性材料的厚度，該構(gòu)型中的本發(fā)明電極還提供足夠的容量并且盡管如此也能以非常緊湊的結(jié)構(gòu)形式來構(gòu)造，這在下載的空間中能夠?qū)崿F(xiàn)大的應(yīng)用多樣性。 [0026]當(dāng)在載體襯底和活性材料之間布置多孔碳層、尤其是炭黑層時(shí)，活性材料在載體襯底處的附著得到進(jìn)一步改進(jìn)。此外，中間層擴(kuò)展了活性層與載體襯底的分隔的可能性。這樣的層在此尤其是可以在如下情況下是有利的，即載體襯底本身不是基于碳的。碳層可以例如具有IOym范圍內(nèi)的厚度。碳層適宜地也是多孔的，以便能夠?qū)崿F(xiàn)從載體襯底至活性材料的合適的氣體傳輸。在此，碳層例如可以具有載體襯底的孔隙率，以便避免碳層中的反應(yīng)。碳層還可以尤其是在連續(xù)梯度的情況下具有介于活性材料與載體襯底之間的孔隙率。
[0027]碳層可以在本發(fā)明的另一構(gòu)型中具有疏水材料。疏水材料在此可以阻止電解質(zhì)或活性材料進(jìn)入或穿過碳層，由此還可以阻止碳層的堵塞。在該情況下，碳層除了是用于活性材料的基層外還可以用作為一種可選的阻擋層，以便促使僅僅在活性材料中發(fā)生反應(yīng)以及因此形成諸如固體反應(yīng)產(chǎn)物。氣體入口和反應(yīng)空間的分隔因此還顯著地可行。疏水層可以布置在碳層的孔或氣體通道的內(nèi)壁處并且例如由聚四氟乙烯(PTFE)構(gòu)造。在該情況下例如疏水材料在載體襯底中不是必要的。
[0028]本發(fā)明還涉及一種儲(chǔ)能器，尤其是金屬氧氣電池，包括陽極、陰極和布置在陽極和陰極之間的電解質(zhì)，其中陰極是本發(fā)明的電極。在本發(fā)明儲(chǔ)能器的情況下基本上可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于電極所述的優(yōu)點(diǎn)，即尤其是簡化的制造、改進(jìn)的能量密度以及增大的容量。在此示例性地提到金屬氧氣電池，諸如鋰氧氣電池或者鋅氧氣電池，以及氧化還原流體電池或者鋰硫電池單池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]本發(fā)明主題的其他優(yōu)點(diǎn)和有利構(gòu)型通過附圖表明并且在下面的描述中闡述。在此要注意，附圖僅僅具有描述性特性并且不應(yīng)被認(rèn)為以任何方式限制本發(fā)明。其中:
圖1示出本發(fā)明電極的一個(gè)實(shí)施方式的示意性草圖；
圖2示出展示出本發(fā)明電極的示范性性能數(shù)據(jù)的示意性圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0030]圖1示出本發(fā)明電極10的示意性視圖。電極10例如適于作為儲(chǔ)能器中的、諸如金屬氧氣電池中的氣體擴(kuò)散電極來采用。在這里舉例來說有鋰氧氣電池或者鋅氧氣電池。但是電極10不限于當(dāng)前的示例，而是還可以用在基于液體的系統(tǒng)中，諸如在氧化還原流體電池或者鋰硫電池單池中。此外可以設(shè)想其他的應(yīng)用。具體的示例性的應(yīng)用領(lǐng)域可以包括用于電動(dòng)車輛的電池或蓄電池，或者諸如用于太陽能電流的存儲(chǔ)器的靜態(tài)應(yīng)用。
[0031]但是下面以非限制性的方式以鋰氧氣電池為例描述本發(fā)明電極10，其中專業(yè)人員可以看出，相同的或者類似的優(yōu)點(diǎn)在其他應(yīng)用情況下也可以實(shí)現(xiàn)。
[0032]根據(jù)圖1，電極10因此是用于金屬氧氣電池的氣體擴(kuò)散電極。電極10在此包括氣體可通過的多孔的載體襯底12。載體襯底12例如可以由傳統(tǒng)的金屬構(gòu)造。但是優(yōu)選地，載體襯底12至少部分地由碳化的聚合物纖維、自傳導(dǎo)聚合物、碳納米管、碳納米纖維和/或金屬化聚合物構(gòu)成或者其可以由上述材料組成。 [0033]這樣的聚合物纖維于是可以在本發(fā)明電極10的制造期間被交織，彼此編結(jié)或者相互粘合，由此分別形成網(wǎng)、毛氈或者紙。接著，這樣獲得的結(jié)構(gòu)可以諸如在使用碳化的聚合物纖維情況下在熱過程中被完全碳化，由此形成碳化的聚合物纖維。碳化例如可以通過適當(dāng)?shù)丶訜帷⒗缭诖蠹s250°C至2000°C的溫度范圍中在真空中或者在合適的非氧化氣氛、諸如氮或氬中進(jìn)行。尤其是毛氈或紙的優(yōu)點(diǎn)在于，它們除了良好的導(dǎo)電性以外還具有合適的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0034]通過前述方法可以在此產(chǎn)生尤其是在不同方向上布置的石墨纖維，所述石墨纖維能夠?qū)崿F(xiàn)例如約> 60%至< 80%的高孔隙率的孔結(jié)構(gòu)并且因此實(shí)現(xiàn)氣體的良好可接近性。上述孔隙率值可理解地同樣適用于載體襯底12的其他材料并且例如在制造過程期間可調(diào)整?？状笮±缈梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)財(cái)D壓或者壓延制成的層來調(diào)整或者通過諸如在碳化時(shí)選擇合適的條件來調(diào)整。
[0035]載體襯底12在此可以是液體不可通過的，以便阻止諸如液態(tài)電解質(zhì)或活性材料14穿透。例如為此目的可以利用合適的方式通過適當(dāng)?shù)乇砻嫣幚怼⒗缤ㄟ^諸如由布置疏水物質(zhì)、例如聚四氟乙烯造成的疏水性來調(diào)整。
[0036]在載體襯底12上、尤其是直接在載體襯底12上還根據(jù)本發(fā)明布置多孔的活性材料14。該活性材料14例如可以包括碳、粘合劑(諸如聚偏氟乙烯(PVDF)、基于纖維素的粘合劑或者聚四氟乙烯(PTFE))以及催化劑，例如用于鋰氧氣應(yīng)用的a-MnO2催化劑，或者所述活性材料可以由上述成分組成。
[0037]根據(jù)本發(fā)明還規(guī)定，電極10在載體襯底12與活性材料14之間具有孔大小分布的梯度。因此，載體襯底12具有比活性材料14小的孔大小。
[0038]在載體襯底12或活性材料10的孔隙率方面，載體襯底12可以具有在> I μ m至(100 μ m范圍內(nèi)的孔大小。此外，活性材料14可以具有在≥2μπι至≤150 μ m范圍內(nèi)的孔大小。由此可以提供合適的氣體輸送條件或反應(yīng)條件。在厚度方面，載體襯底12還可以具有在≥5(^111至< 300 μ m范圍內(nèi)的厚度和/或活性材料14可以具有在≥50 μ m至(IOOym范圍內(nèi)的厚度。
[0039]在載體襯底12和活性材料14之間還可以布置在圖1中未示出的碳層，尤其是炭黑層。在該情況下，活性材料14不直接布置在載體襯底12上。碳層例如可以用作為例如由活性材料14構(gòu)成的活性層的基層。另外，碳層還可以阻止不期望的材料、諸如液體或者活性材料進(jìn)入到載體襯底12中。為此，碳層或炭黑層可以配備有疏水材料。
[0040]所述電極的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在下面以鋰氧氣電池為例來描述。這種儲(chǔ)能器包括根據(jù)本發(fā)明的電極10，尤其是作為陰極。在電極10的一側(cè)上布置電解質(zhì)16，該電解質(zhì)作為非限制性示例可以是六氟磷酸鋰(LiPF6)在碳酸丙烯酸中的一摩爾溶液。在電極10的與電解質(zhì)16相反的側(cè)上還可以設(shè)置陽極、如尤其是鋰陽極，其在圖1中未示出。在電極10的與電解質(zhì)16相反的側(cè)上還設(shè)置氧氣氛圍18。該氧氣氛圍18例如可以是經(jīng)定義的、包圍儲(chǔ)能器的空間，該空間具有諸如用于環(huán)境空氣的氣體通道。
[0041]例如在鋰氧氣電池的放電過程中，可以通過氧氣與活性材料14 (該活性材料可以包括鋰離子)的反應(yīng)來形成固體反應(yīng)產(chǎn)物，諸如Li2O或者Li202。通過電極10的本發(fā)明構(gòu)型使得氧氣氛圍18中的氧氣能夠通過載體襯底12流動(dòng)或擴(kuò)散，這如通過箭頭20表明的那樣，并且前述反應(yīng)基本上在活性材料14的孔中或在活性材料14和載體襯底12或碳層之間的界面處進(jìn)行。
[0042]在圖2中示出在具有本發(fā)明電極10的示例性的鋰氧氣電池單池放電情況下的示例性的循環(huán)特性。圖2具體地示出如下圖表，該圖表相對于充電/放電循環(huán)(Z)示出這種儲(chǔ)能器在涉及活性陰極物質(zhì)、也即尤其是涉及活性材料14的情況下在放電時(shí)的單位為mAh/g的容量(K)。測量在此在使用六氟磷酸鋰在碳酸丙烯酸中的一摩爾溶液作為電解質(zhì)的情況下相對于金屬鋰作為半電池單池測量來進(jìn)行。圖2在此示出，示范性的容量在第一循環(huán)期間可以達(dá)到1800mAh/g。在此應(yīng)當(dāng)理解，這種容量僅僅示范性地達(dá)到。通過適當(dāng)?shù)仄ヅ淅珉娊赓|(zhì)，明顯較高的值也是可能的，所述明顯較高的值可以達(dá)到所述值的多倍。例如由于電解質(zhì)氧化和其他老化機(jī)制，初始容量例如可以從第8個(gè)循環(huán)開始下降到約800mAh/g的值并且保持在該水平上。如果將所述值與比較電池——其例如基于具有活性材料的金屬泡沫一相比較，則可以看出在初始容量方面以及在多個(gè)循環(huán)之后的容量水平方面的明顯區(qū)另O。但是在此專業(yè)人員可以理解，所示出的性能數(shù)據(jù)僅僅是示例性的并且絕對還具有改進(jìn)潛能。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)可以在于，尤其是基于聚合物載體的電極10可以具有相對于陰極材料、也即活性材料14——包括載體襯底12在內(nèi)——改進(jìn)的能量密度。因此，碳載體的大約lOmg/cm2的示例性基重相對于示例性的金屬載體明顯減少，所述示例性的金屬載體可以具有大約40mg/cm2的基重，這對總電池單池的能量密度起到正面影響。
【權(quán)利要求】
1.電極，尤其是用于金屬氧氣電池的氣體擴(kuò)散電極，包括多孔的載體襯底(12),在該載體襯底上布置多孔的活性材料(14)，其中所述電極(10)在載體襯底(12)與活性材料(14)之間具有平均孔大小的梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述載體襯底(12)是液體不能通過的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電極，其中所述載體襯底(12)具有疏水物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的電極，其中載體襯底(12)至少部分地由碳化的聚合物纖維、自傳導(dǎo)聚合物、碳納米管、碳納米纖維和/或金屬化聚合物構(gòu)造。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電極，其中碳化的聚合物纖維至少部分地由聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯或者纖維素構(gòu)造。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的電極,其中載體襯底(12)具有在>I μ 111至< 100 μ m范圍內(nèi)的平均孔大小，和/或其中活性材料(14)具有在> 2μπι至<150μπι范圍內(nèi)的平均孔大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的電極，其中載體襯底(12)具有在>50μπι至(300 μ m范圍內(nèi)的厚度，和/或其中活性材料(14)具有在≤50 μ m至≤100 μ m范圍內(nèi)的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的電極，其中在載體襯底(12)和活性材料(14)之間布置多孔的碳層。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極，其中所述碳層具有疏水材料。
10.儲(chǔ)能器，尤其是金屬氧氣電池，包括陽極、陰極和布置在所述陽極和陰極之間的電解質(zhì)(16)，其中所述陰極是根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的電極(10)。
【文檔編號】H01M8/02GK103733423SQ201280039851
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月15日
【發(fā)明者】S.馬斯, R.利德特克, T.洛曼 申請人:羅伯特·博世有限公司