CN109428139A - 锂空气电池 - Google Patents

Abstract

一种锂空气电池，包括具有不同直径的多个单元电池，各单元电池包括：电极，其包括：圆盘形正电极，该正电极具有在锂空气电池的垂直方向上贯通正电极的第一空气流路和在锂空气电池的水平或垂直方向上在正电极上的一个或多个电解质流路；以及负电极，该负电极具有在垂直方向上贯穿负电极以与第一空气流路重合的第二空气流路；以及设置在正电极和负电极之间的隔离件。单元电池在堆叠电池罐内沿垂直方向堆叠，使得扩散层设置在各个单元电池之间。最下面的单元电池具有最大的直径，并且顺序堆叠在最下面的单元电池上的其余单元电池的直径在向上方向上垂直地逐渐减小，使得单元电池具有阶梯结构。

Description

锂空气电池

技术领域

本公开涉及锂空气电池。更具体地，本公开涉及具有新颖结构的锂空气电池，在所述结构中，单元电池使用具有径向流路和垂直流路的盘型电极以阶梯结构堆叠。

背景技术

通常，锂空气电池被认为是二次电池，其充电和放电是通过锂和氧之间的电化学反应来进行的。

锂空气电池包括多个堆叠的单元电池，每个单元电池包括：电极，所述电极包括空气电极(即，正电极)和由锂形成的负电极；以及由允许液态电解质通过的材料形成并且位于正电极和负电极之间的隔离件；以及均匀地扩散空气的扩散层，并且电解质设置在各个电池之间。

因此，当锂空气电池放电时，从负电极移动到正电极的锂离子和提供到正电极的氧在正电极的表面处彼此反应，并因此在正电极的表面上产生氧化锂，并且当锂空气电池充电时，氧化锂被分解，并因此产生电能。

众所周知，传统的锂空气电池存在如下问题。

(1)电解质挥发和耗尽

在锂空气电池的充放电过程中，会发生锂离子、电子和氧在一个位置处相遇而彼此反应的三相反应。在此，由于锂离子由电解质供给，电子从电极供给而氧从外部供给，所以电解质不可避免地暴露于氧。

因此，电解质是挥发性的，因此电解质发生挥发，并且电解质在充电和放电反应过程中由于电解质暴露于正电极和负电极处的强氧化还原电位而产生气体并被耗尽。

这样，在锂空气电池的充放电过程中电解质挥发并被耗尽，因此锂空气电池的使用受到限制。

(2)低氧分压的应用

在锂空气电池的充放电过程中，当发生三相反应时，氧必须被供应至正电极并用作活性物质。

当用作活性物质的氧分压增加时，在放电反应期间产生的反应电阻值降低，因此反应效率增加。然而，由于当制造包括多个堆叠的单元电池的锂空气电池时氧分压会大大提高的电池组尚未开发出来，所以除了将低氧分压用于充电和放电过程没有其他选择。

(3)氧扩散层中氧扩散困难

由于氧被用作锂空气电池中的活性物质，并且为了电池的长寿命需要均匀的反应，所以电极的每单位面积的氧的均匀供应是有必要的。

现在，锂空气电池利用作为氧扩散层的气体扩散层(GDL)或者利用作为载体的多孔载体保持正电极活性物质解决了用在反应中的氧的扩散问题。然而，在大规模的电极中，均匀的氧扩散难以解决，因此需要额外的氧流路。

发明内容

本公开旨在解决与现有技术相关的上述问题，并且本公开的目的是提供一种锂空气电池，其可在充电和放电过程期间使电解质的挥发和耗尽最小化，在充电和放电过程期间均匀地将电解质扩散和提供给电极，并提高作为活性物质的氧的分压，从而有效地向正电极提供氧，并实现电极的单位面积的均匀供氧。

一方面，本发明提供了一种锂空气电池，其包括具有不同直径的多个单元电池，每个单元电池包括电极，所述电极包括：圆盘形正电极，该正电极具有第一空气流路和一个或多个电解质流路，第一空气流路在锂空气电池的垂直方向上贯穿正电极，一个或多个电解质流路在锂空气电池的水平或垂直方向上在所述正电极上；以及负电极，具有第二空气流路，所述第二空气流路在垂直方向上贯穿负电极以与第一空气流路重合；以及设置在正电极和负电极之间的隔离件，其中，单元电池在堆叠的电池罐内沿垂直方向堆叠，使得扩散层设置在各个单元电池之间，并且最下面的单元电池具有最大的直径，并且顺序堆叠在最下面的单元电池上的单元电池的直径在向上方向上逐渐减小，使得单元电池具有阶梯结构。

围绕并保护负电极周边的辅助隔离件可从隔离件的外径部分延伸。

正电极可形成为具有圆盘形状，该圆盘形状设置有在垂直方向上穿过其中心形成的第一空气流路以及形成在其一个表面上的作为凹槽的多个电解质流路，所述凹槽在水平方向上从第一空气流路到正电极的边缘延伸并且径向布置。

正电极可以形成为具有伞状形状，该伞状形状设置有在垂直方向上穿过其中心形成的第一空气流路，以及形成为正电极的一部分、以指定的角度从第一空气流路向下倾斜至正电极的边缘的电解质流路。

正电极可形成为具有圆盘形状，该圆盘形状设置有在垂直方向上穿过其中心形成的第一空气流路，以及多个电解质流路，在整个正电极上，多个电解质流路被形成为在垂直方向上从第一空气流路到正电极的边缘贯穿正电极。

正电极可具有包括多个同心圆盘的结构，所述多个同心圆盘具有不同的直径，并且设置有第一空气流路和多个电解质流路，第一空气流路形成为在垂直方向上穿过位于正电极的中心区域处的同心圆盘的中心，多个电解质流路形成为在垂直方向上的各个同心圆盘之间的分离间隔。

负电极可形成为具有圆盘形状，该圆盘形状设置有在垂直方向上穿过其中心形成的第二空气流路。

连接到单独的氧供应罐的氧供应管线和连接到单独的电解质罐的电解质供应管线可连接到堆叠电池罐的入口，并且连接到电解质供应管线的端部以将电解质均匀地喷洒到电极的整个表面上的喷嘴可安装在堆叠电池罐处。

连接到氧供应罐的氧供应管线可连接到堆叠电池罐的入口，电解质罐可安装在堆叠电池罐的内部空间的上部区域内，均匀地将电解质喷洒到电极的整个表面的喷嘴可安装到安装在堆叠电池罐的内部空间的上部区域内的电解质罐的出口处。

用于使电解质再循环的再循环管线可连接在堆叠电池罐的内部空间的下部区域与电解质罐之间，再循环泵可安装在再循环管线处。

电解质再填充管线可连接到再循环管线。

紧急排放氧气的换气阀可安装在堆叠电池罐的上部和下部。

堆叠电池罐可采用隆起结构(bombe structure)以满足高压处理条件。

以下讨论本发明的其它方面和优选实施例。

以下讨论本发明的上述和其他特征。

附图说明

现在将参照在附图中示出的本发明的某些示例性实施例来详细描述本公开的以上和其它特征，这些示例性实施例在下文中仅以示例的方式给出，并且因此不是对本公开的限制，并且其中：

图1是示例性地示出根据本公开的其中单元电池被堆叠的锂空气电池的横截面图；

图2A至图2D是示出根据本公开的实施例的锂空气电池的正电极的透示图；

图3是示出根据本公开的一个实施例的锂空气电池的示图；以及

图4是示出根据本公开的另一实施例的锂空气电池的示图。

应当理解的是，附图不一定按比例绘制，其呈现了示出本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。如本文所公开的本公开的包括例如具体的尺寸、取向、位置和形状的具体设计特征将部分由具体的预期应用和使用环境来确定。

在附图中，贯穿附图的多个图，附图标记指代本公开的相同或等同部分。

具体实施方式

在下文中，现在将详细参考本公开的各种实施例，其实例在附图中示出并在下面进行描述。尽管将结合示例性实施例来描述本发明，但是将理解的是，本说明书并不旨在将本发明限制到示例性实施例。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修改、等同和其他实施例。

图1是示例性地示出根据本公开的其中单元电池被堆叠的锂空气电池的横截面图。这里，参考标号10表示堆叠电池罐。

堆叠电池罐10是锂空气电池的单元电池堆叠和安装在其中并具有隆起结构的罐，该隆起结构是圆柱形的，并具有半圆形的上表面和下表面，以满足用于电池充放电反应的高压处理条件(例如，常压10bar)。

根据本公开，如图1中示例性地示出的，单元电池20以阶梯状结构堆叠在堆叠电池罐10内。

每个单元电池20包括：电极26，电极26包括空气电极，即，正电极22和由锂形成的负电极24；以及由传送液体电解质的材料形成的并且位于正电极22和负极电极24之间的隔离件28。

具体地，电极26的正电极22和负电极24具有直径不同的圆盘形状。

这里，在垂直方向上的第一空气流路22-1被形成为穿过电极26的正电极22，并且同时，在水平或垂直方向上的一个或多个电解质流路22-2形成在正电极22上，并且与第一空气流路22-1重合的垂直方向上的第二空气流路24-1被形成为穿过负电极24。

因此，在堆叠电池罐10中，将每个由正电极22、隔离件28以及负极24顺序堆叠而成的单元电池20沿垂直方向堆叠，在各个单元电池20之间设置扩散层30。

具体地，当单元电池20被堆叠时，具有最大直径的电极26被布置在最下面的位置，并且此后堆叠的电极26的直径在向上的方向上逐渐减小。

因此，当根据本公开的单元电池20在堆叠电池罐10内沿垂直方向堆叠时，堆叠单元电池20，使布置在最下方位置处的单元电池20的直径最大，并且随后单元电池20的直径向上逐渐减小，从而形成阶梯结构。

电极26的正电极22可具有圆盘形状，贯穿该圆盘形状形成垂直方向上的第一空气流路22-1，并且在该圆盘形状上形成水平或垂直方向上的一个或多个各种电解质流路22-2，并且负电极24可被设置为具有圆盘形状，贯穿该圆盘形状形成与第一空气流路22-1重合的垂直方向上的第二空气流路24-1。

参照图2A，正电极22可具有圆盘形状，其具有贯穿其中心形成的在垂直方向上的第一空气流路22-1和形成为凹槽的多个电解质流路22-2，凹槽沿着水平方向从第一空气流路22-1延伸至正电极22的边缘并径向布置。

因此，从氧供给源供给的氧沿着第一空气流路22-1向下方流动，而从电解质供给源供给的电解质沿着凹槽状的电解质流路22-2在正电极22的向外方向上流动。

参照图2B，正电极22可具有伞状形状，该伞状形状设置有贯穿其中心形成的垂直方向上的第一空气流路22-1，使得正电极22从第一空气流路22-1以指定的角度向下倾斜至正电极22的边缘，并且正电极22的这种向下倾斜的部分用作电解质流路22-2，电解质沿着该电解质流路在向下的方向上流动。

因此，从氧供给源供给的氧沿着第一空气流路22-1向下方流动，而从电解质供给源供给的电解质沿着向下倾斜的电解质流路22-2流向下一个下部单元电池。

参照图2C，正电极22可具有圆盘形状，该圆盘形状设置有贯穿其中心形成的垂直方向上的第一空气流路22-1和形成为孔的多个电解质流路22-2，所述孔在垂直方向上贯穿正电极22形成并且在整个正电极22上从第一空气流路22-1到正电极22的边缘不规则地布置。

因此，从氧供给源供给的氧沿着第一空气流路22-1向下方流动，而从电解质供给源供给的电解质沿着孔形的电解质流路22-2落到下一个单元电池。

这里，孔形电解质流路22-2不规则地布置，因此电解质可能落到下一个单元电池的电极表面，并均匀地浸泡电极表面，以便于充电和放电反应。

参照图2D，正电极22可具有这样的结构，其中，布置了具有不同直径的多个同心圆盘，垂直方向上的第一空气流路22-1贯穿位于正电极22的中心区域的同心圆盘的中心形成，并且各同心圆盘之间的分离间隔用作垂直方向上的电解质流路22。

因此，从氧供给源供给的氧沿着第一空气流路22-1向下方流动，而从电解质供给源供给的电解质沿着电解质流路22-2落到下一个单元电池。

堆叠在电池罐10中的每个单元电池20包括布置在正电极22和负电极24之间的隔离件28，并且沿着向下方向垂直弯曲的辅助隔离件28-1形成在隔离件28的外径部分处。

也就是说，围绕并保护负电极24的周边的辅助隔离件28-1从隔离件28的外径部分延伸。

因此，当向单元电池20供应超过可保留量的电解质时，供应到单元电池20的电解质停留在辅助隔离件28-1的外表面上，然后自然下落到下一个下单元电池20，并且因此，可改善向各个单元电池20平滑地供应和分散电解质的功能。

进一步地，由于辅助隔离件28-1围绕由锂形成的负电极24的周边并由此保护负电极24，所以辅助隔离件28-1可阻挡氧与锂之间的直接接触，从而防止锂的氧化。

参照图3，连接到单独的氧供应罐40的氧供应管线42和连接到单独的电解质罐50的电解质供应管线52连接到在堆叠电池罐10的上部形成的入口。

连接到电解质供应管线54的端部的喷嘴54安装在堆叠电池罐10处，并且喷嘴54用于将电解质均匀地喷洒在电极的整个表面(即，最上面的单元电池20的正电极22的表面)。

另外地，如图4示例性所示，连接到氧供应罐40的氧供应管线42可连接到形成在堆叠电池罐10的上部的入口，并且电解质罐50可直接形成在或安装在堆叠电池罐10的内部空间的上部区域内。

喷嘴54安装在在堆叠电池罐10的内部空间的上部区域内安装的电解质罐50的出口位置处，并且喷嘴54也用于将电解质均匀地喷洒到电极的整个表面(即，最上面的单元电池20的正电极22的表面)。

进一步地，如果电解罐50直接形成在或者安装在堆叠电池罐10的内部空间的上部区域内，则使电解质再循环的再循环管线56连接在堆叠电池罐10的内部空间的下部区域和电解质槽50之间，并且被驱动以再循环电解质的再循环泵58安装在再循环管线56处。

这里，如果电解质罐50直接形成在或者安装在堆叠电池罐10的内部空间的上部区域内，则电解质罐50处于封闭状态，并且难以补充电解质罐50中的电解质。因此，单独的电解质再填充管线60连接到再循环管线56。

因此，当通过电解质再填充管线60补充电解质时，电解质可容易地再填充直接形成在或安装在堆叠电池罐10的内部空间的上部区域内的电解质罐50，并且因此可预防电解质耗尽。

紧急排出气体或氧的换气阀62安装在堆叠电池罐10的上部和下部。

因此，当堆叠在堆叠电池罐10中的锂空气电池单元20进行充电或放电反应时，如果有必要排出由反应产生的气体，或者在电池20故障时有必要紧急地将氧排出到外部时，换气阀62可被打开并且因此容易地将气体或氧排出到堆叠电池罐10的外部。

这里，将在下面描述上述锂空气电池的充电和放电流程。

首先，将来自氧供应罐40的氧沿着氧供给管线42供给到堆叠电池罐10的入口，同时将来自电解质罐50的电解质被供给到堆叠电池罐10的内部。

供给至堆叠电池罐10内部的氧沿着形成于各单元电池20处的垂直方向上的第一空气流路22-1及第二空气流路24-1移动，并渗透扩散层30，并且还渗透到最上面的单元电池20的正电极22。

同时，通过喷嘴54将电解质均匀地喷洒到电极的整个表面(最上单元电池20的正电极22的表面)上。

之后，如上面参照图2A至图2D所述，电解质沿着各个正电极22的电解质流路22-2流动，并且从最上面的单元电池20沿着向下的方向顺序地下降到下一个下面的单元电池20。

这里，电解质停留在形成在隔离件28的外径部分处的辅助隔离件28-1的外表面上，然后自然地落到下一个下面的单元电池20，因此，平稳地供给和分散电解质到各个单元电池20的功能可得到改善。

如上所述，电解质和氧容易地供应到以阶梯状结构堆叠的各个单元电池20，因此，当锂空气电池放电时，从负电极24移动到正电极22的锂离子和供应到正电极22的氧在正电极22的表面处彼此反应，并因此在正电极22的表面上产生氧化锂，并且当锂空气电池充电时，氧化锂分解而因此产生电能。

在堆叠电池罐10底部收集的剩余电解质通过驱动再循环泵58沿着再循环管线56聚集在电解质罐50中，以便可重复使用。

进一步地，如果有必要补充电解质罐50中的电解质，则通过连接到再循环管线56的电解质再填充管线60补充电解质，因此可补充电解质罐50中的电解质。

从以上描述中显而易见的是，根据本公开的锂空气电池具有以下效果。

(1)在锂空气电池的充放电过程中电解质的挥发和耗尽可被最小化，并且电解质可被均匀地供应到电极。

(2)用作活性物质的氧的分压增加，以便在锂空气电池的充放电的过程中被有效地供给到正电极，并且可实现正电极的每单位面积的氧的均匀供给。

(3)通过由从隔离件延伸的辅助隔离件围绕电极的端部，即，由锂形成的负电极的周边，电解质可停留在辅助隔离件的表面上，然后自然地下降到下一个下面的单元电池，并因此可进一步促进电解质在整个单元电池中的分散供应。

(4)辅助隔离件防止锂负电极直接与氧接触，从而防止锂负电极的氧化。

(5)用于均匀地喷洒电解质的喷嘴安装在堆叠电池罐的上部，因此能够将电解质均匀地供给到最上层的单元电池的正电极。

(6)反应后，电解质可重新循环到电解质罐中以便可重复使用。

已经参考其示例性实施例详细描述了本发明。然而，本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种锂空气电池，包括具有不同直径的多个单元电池，每个单元电池包括：

电极，所述电极包括：圆盘形正电极，所述正电极具有第一空气流路和一个或多个电解质流路，所述第一空气流路在所述锂空气电池的垂直方向上贯穿所述正电极，所述一个或多个电解质流路在所述锂空气电池的水平或垂直方向上在所述正电极上；以及负电极，所述负电极具有第二空气流路，所述第二空气流路在所述垂直方向上贯穿所述负电极以与所述第一空气流路重合；以及

设置在所述正电极和所述负电极之间的隔离件，

其中，所述单元电池在堆叠电池罐内沿所述垂直方向堆叠，使得扩散层设置在各个单元电池之间，并且

最下面的单元电池具有最大的直径，并且顺序堆叠在所述最下面的单元电池上的其余单元电池的直径在向上方向上垂直地逐渐减小，使得所述单元电池具有阶梯结构。

2.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，围绕并保护所述负电极的周边的辅助隔离件从所述隔离件的外径部分延伸。

3.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述第一空气流路在垂直方向上贯穿所述正电极的中心，并且在所述正电极的一个表面上具有作为凹槽的多个电解质流路，所述凹槽在水平方向上从所述第一空气流路延伸到所述正电极的边缘并且径向布置。

4.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述正电极具有伞形，所述伞形具有在所述垂直方向上贯穿所述正电极的中心的第一空气流路以及作为正电极的一部分、以参考角度从所述第一空气流路向下倾斜至所述正电极的边缘的电解质流路。

5.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述第一空气流路在所述垂直方向上贯穿所述正电极的中心，并且

在整个正电极上，多个电解质流路在垂直方向上从第一空气流路至所述正电极的边缘贯穿所述正电极。

6.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述正电极具有多个同心圆盘，这些圆盘具有不同的直径，并且具有在所述垂直方向上穿过位于所述正电极的中心区域处的同心圆盘的中心形成的所述第一空气流路和在所述垂直方向上作为各个同心圆盘之间的分割间隔的多个电解质流路。

7.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述第二空气流路在所述垂直方向上穿过所述负电极的中心。

8.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，连接到单独的氧供应罐的氧供应管线和连接到单独的电解质罐的电解质供应管线被连接到所述堆叠电池罐的入口。

9.根据权利要求8所述的锂空气电池，其中，连接到所述电解质供应管线的端部以将所述电解质均匀地喷洒到电极的整个表面的喷嘴被安装在所述堆叠电池罐处。

10.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，连接到氧供应罐的氧供应管线被连接到所述堆叠电池罐的入口，并且电解质罐被安装在所述堆叠电池罐的内部空间的上部区域内。

11.根据权利要求10所述的锂空气电池，其中，将所述电解质均匀地喷洒在电极的整个表面上的喷嘴被安装在设置在所述堆叠电池罐的内部空间的上部区域内的所述电解质罐的出口处。

12.根据权利要求10所述的锂空气电池，其中，用于使所述电解质再循环的再循环管线连接在所述堆叠电池罐的内部空间的下部区域和所述电解质罐之间，并且再循环泵安装在所述再循环管线处。

13.根据权利要求12所述的锂空气电池，其中，电解质再填充管线连接到所述再循环管线。

14.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，用于排出氧的换气阀安装在所述堆叠电池罐的上部和下部。

15.根据权利要求1所述的锂空气电池，其中，所述堆叠电池罐具有隆起形状。