TW201327979A - 可再充電式電化學電池 - Google Patents

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Arnd Garsuch
Hubert Gasteiger
Michele Piana
Nikolaos Tsiouvaras
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Basf Se
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Abstract

本發明係關於可再充電式電化學電池,其包含(A)至少一個陰極,該陰極包含(A1)至少一種陰極活性材料,該陰極活性材料包含(a)至少一種石墨化碳黑及(aa)至少一種黏合劑,以及視情況至少一種氣體可擴散穿過或視情況用作該陰極活性材料之載體之固體材料;以及B)至少一個陽極,該陽極包含金屬鎂、金屬鋁、金屬鋅、金屬鈉或金屬鋰。本發明進一步係關於本發明電化學電池之用途,且係關於包含後者之金屬-空氣電池組。

Description

可再充電式電化學電池
本發明係關於可再充電式電化學電池,其包含(A)至少一個陰極,該陰極包含(A1)至少一種陰極活性材料,該陰極活性材料包含(a)至少一種石墨化碳黑及(aa)至少一種黏合劑,以及視情況至少一種氣體可擴散穿過或視情況用作該陰極活性材料之載體之固體材料;以及B)至少一個陽極,該陽極包含金屬鎂、金屬鋁、金屬鋅、金屬鈉或金屬鋰。
本發明進一步係關於本發明電化學電池之用途,且係關於包含後者之金屬-空氣電池組。
二次電池組、蓄電器或「可再充電式電池組」僅係在電能產生後可將其儲存且在需要時使用的一些實施例。由於顯著較佳之功率密度,近來已自基於水之二次電池組轉變朝向研發彼等藉由鋰離子完成電池中之電荷傳輸之電池組。
然而,具有碳陽極及基於金屬氧化物之陰極的習用鋰離子蓄電器之能量密度有限。已藉由鋰-硫電池及尤其鋰-氧或鋰-空氣電池在能量密度方面開闢了新視野。在習用實施例中,金屬(尤其鋰)在非水性電解質中經大氣氧氧化而形成氧化物或過氧化物,即在鋰之情形下形成Li2O或Li2O2。以電化學方式利用所釋放之能量。該等電池組可藉由還原在放電過程中所形成之金屬離子再充電。人們已 知,出於此目的可使用氣體擴散電極(GDE)作為陰極。氣體擴散電極係多孔的且具有雙功能作用。金屬-空氣電池組必須能夠實現放電過程中大氣氧還原成氧化物或過氧化物離子及充電過程中氧化物或過氧化物離子氧化成氧。例如,人們已知,可將氣體擴散電極構建於由細碳組成之具有一或多種用於催化氧還原或氧釋放之觸媒之載體材料上。
例如,A.Débart等人,Angew.Chem.2008,120,4597(Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2008,47,4521)揭示,該等氣體擴散電極需要觸媒。Débart等人提及Co3O4、Fe2O3、CuO及CoFe2O4,且其給出關於α-MnO2奈米線之報導且比較該等α-MnO2奈米線與MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、λ-MnO2、Mn2O3及Mn3O4
J.Electrochem.Soc.,157,A1016(2010)闡述包含空氣電極之鋰-空氣電池組,該等空氣電極僅包含碳黑或碳黑載貴金屬作為陰極活性材料。
然而,自上文所引用先前技術已知之材料仍需要在以下性質中之至少一個方面加以改良:電催化活性、耐化學品性、耐電化學腐蝕性、機械穩定性、於載體材料上之良好黏附性及與黏合劑、導電碳黑及/或電解質之低相互作用。此外,亦應考慮最佳化由材料及生產支出所造成之成本,以促進此新穎能量儲存技術之擴展。
因此,本發明之目標係提供在上述性質中之至少一個方 面有所進展之可再充電式電化學電池。可再充電式電化學電池之尤其重要之特徵最終係循環穩定性,其必須與電池之其他方面之相當性質一起加以改良。
此目標係藉由在一開始所定義之可再充電式電化學電池來達成,該可再充電式電化學電池包含A)至少一個陰極,該陰極包含(A1)至少一種陰極活性材料,該陰極活性材料包含(a)至少一種石墨化碳黑及(aa)至少一種黏合劑,以及視情況至少一種氣體可擴散穿過或視情況用作陰極活性材料之載體之固體介質;以及B)至少一個陽極,該陽極包含金屬鎂、金屬鋁、金屬鋅、金屬鈉或金屬鋰。
可再充電式電化學電池之陰極(在本發明之上下文中亦簡稱為陰極(A))包含至少一種陰極活性材料(在下文中亦簡稱為陰極活性材料(A1)),該陰極活性材料包含至少一種石墨化碳黑(在下文中亦簡稱為石墨化碳黑(a))及至少一種黏合劑(在本發明之上下文中亦簡稱為黏合劑(aa));以及視情況至少一種氣體可擴散穿過且視情況用作陰極活性材料之載體之固體介質。
在本發明可再充電式電化學電池之較佳實施例中,陰極(A)係氣體擴散電極。
石墨化碳黑及其生產原則上已為彼等熟習此項技術者所習知。市售實例係來自Superior Graphite之PureBLACKTM或來自TOKAI CARBON CO.有限公司之TOKABLACKTM石墨化碳黑。M.Wissler在J.Power Sources,156(2006),143-144中闡述石墨化碳黑之外觀及形成。石墨化碳黑之一個特徵通常係BET表面積比相應非石墨化碳黑低。
在本發明可再充電式電化學電池之一較佳實施例中,石墨化碳黑(a)之BET表面積在1 m2/g至150 m2/g範圍內,較佳在10 m2/g至120 m2/g範圍內,且尤其在50 m2/g至100 m2/g範圍內。BET表面積係根據ISO 9277來測定。
石墨化碳黑可藉由(例如)熱處理碳黑來生產,所用碳黑係藉由諸如以下等已知碳黑生產方法中之一者來生產:爐法、氣體碳黑法、燈碳黑法、乙炔碳黑法及熱碳黑法。較佳在超過2000℃、尤其超過2500℃之溫度下實施熱處理。在此操作中,具有石墨結構之區域之比例及範圍增加。對於非石墨化及石墨化碳黑而言,此可藉助掃描電子顯微鏡(SEM)或藉助高解析度透射電子顯微術(HRTEM)容易地看出。此外,在石墨化碳黑之情形下,在x-射線粉末繞射圖之約26° 2θ值處存在強信號。
在本發明可再充電式電化學電池之另一較佳實施例中,石墨化碳黑(a)係藉由在超過2000℃之溫度下熱處理藉由選自爐法、氣體碳黑法、燈碳黑法、乙炔碳黑法及熱碳黑法之方法生產之碳黑獲得。
石墨化碳黑通常呈平均粒度較佳為0.1 μm至10 μm、尤 其為0.5 μm至1 μm之粒子形式。平均粒度係藉助顯微粒度評估來測定。在電子顯微鏡下可看出,碳黑粒子又由眾多個稱為原粒子之更小粒子組成,該等原粒子之平均粒度較佳為10 nm至200 nm,尤其為40 nm至120 nm。
在本發明可再充電式電化學電池之另一較佳實施例中,石墨化碳黑(a)係呈平均粒度在0.1 μm至10 μm、尤其0.5 μm至1 μm範圍內之粒子形式。
除至少一種石墨化碳黑(a)以外,陰極活性材料(A1)亦包含至少一種黏合劑(aa)。黏合劑(aa)通常係有機聚合物。黏合劑(aa)主要用於機械穩定陰極活性材料(A1),此乃因碳黑粒子係藉由黏合劑彼此結合,且該黏合劑(aa)亦具有使陰極活性材料充分黏附至輸出導體之效應。黏合劑(aa)較佳對其在電化學電池中所接觸之化學品為化學惰性。
在本發明之一個實施例中,黏合劑(aa)係選自有機(共)聚合物。適宜有機(共)聚合物之實例可為經鹵化或不含鹵素。實例係聚環氧乙烷(PEO)、纖維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、二氟亞乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、二氟亞乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟烷基乙烯基醚共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、二氟亞乙烯-氯三氟乙烯共聚物、乙烯-氯氟乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物(視情況至少部分經鹼金屬鹽或氨中和)、乙烯-甲基丙烯酸共聚物(視情況至少部分經鹼金屬鹽或氨中和)、乙烯-(甲基)丙 烯酸酯共聚物、聚醯亞胺及聚異丁烯。
適宜黏合劑尤其係聚乙烯醇及鹵化(共)聚合物,例如聚氯乙烯或聚二氯亞乙烯,尤其係氟化(共)聚合物,例如聚氟乙烯及尤其聚二氟亞乙烯及聚四氟乙烯。尤其適宜者係四氟乙烯聚合物或與鋰離子交換之亦稱作Li交換型Nafion®之磺化四氟乙烯聚合物。
黏合劑(aa)之平均分子量Mw可在寬範圍內選擇,適宜實例為20 000 g/mol至1 000 000 g/mol。
在本發明之一個實施例中,基於組份(a)及(aa)之總質量,陰極活性材料(A1)包含介於10重量%至60重量%、較佳20重量%至45重量%且更佳30重量%至35重量%範圍內之黏合劑(aa)。
可藉由各種方法將黏合劑(aa)納入陰極活性材料(A1)中。例如,可將可溶性黏合劑(aa)(例如聚乙烯醇)溶解於適宜溶劑或溶劑混合物(例如水/異丙醇)中,且可與陰極活性材料(A1)之其他組成部分一起製備懸浮液。在施加至適宜基板之後,移除(例如蒸發)溶劑或溶劑混合物,以獲得包含陰極活性材料(A1)之陰極。適於聚二氟亞乙烯之溶劑係NMP。可藉由(例如)噴霧(例如噴霧施加或霧化)亦及刀片塗佈、印刷或藉由按壓來完成施加。在本發明之上下文中,霧化亦包括借助於噴霧槍之施加,該方法經常亦簡稱作「噴刷法(airbrush method)」或「噴刷」。
若期望使用微溶性聚合物(例如聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物或Li交換型Nafion®)作為黏合劑(aa),則 如上所述製備並處理相關黏合劑(aa)及石墨化碳黑(a)亦及陰極活性材料(A1)之其他可能組成部分之粒子懸浮液,從而得到陰極。
除組份(a)及(aa)以外,陰極活性材料(A1)原則上亦可包含其他組份。例如,陰極活性材料(A1)可包含特定量之過渡金屬或過渡金屬化合物,該過渡金屬或過渡金屬化合物係呈分子形式或呈平均粒度在1 nm至100 μm範圍內之粒子形式,過渡金屬或過渡金屬化合物尤其係彼等催化氧O2之還原及/或氧化物及/或過氧化物陰離子之氧化者。對完全性無任何主張,該等過渡金屬或過渡金屬化合物之代表係(例如)鉑、金、Pt-Au混合物、Co3O4、Fe2O3、CuO、CoFe2O4、MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、λ-MnO2、Mn2O3及Mn3O4。然而已發現,包含組份(a)及(aa)作為主要組成部分且未添加過渡金屬或過渡金屬化合物作為觸媒之陰極活性材料催化氧O2之還原以及氧化物及過氧化物陰離子之氧化。
在本發明之一個實施例中,陰極活性材料(A1)之絕大部分由組份(a)及(aa)組成,此意味著基於陰極活性材料(A1)之總質量,陰極活性材料(A1)中組份(a)及(aa)之總質量超過90%,較佳超過95%,更佳超過99%至不超過100%。
在本發明可再充電式電化學電池之另一較佳實施例中,基於陰極活性材料之總質量,陰極活性材料(A1)包含介於0與0.05重量%之間、較佳介於0與0.001重量%之間之過渡金屬或過渡金屬化合物,該過渡金屬或過渡金屬化合物係 呈分子形式或呈平均粒度在1 nm至100 μm範圍內之粒子形式。
除陰極活性材料(A1)以外,陰極(A)亦包含視情況至少一種氣體可擴散穿過或視情況用作陰極活性材料(A1)之載體之固體介質(在本發明之上下文中亦簡稱為介質(A2))。
在本發明之一個實施例中,陰極活性材料(A1)由於其組成及其結構而已自支撐且能透過氣體,且因此不必使用介質(A2)。
固體介質(A2)在本發明之上下文中較佳係彼等即使在不施加高壓之情形下氧或空氣亦可擴散穿過之多孔體,例如金屬網及由碳(尤其活性碳)組成之氣體擴散介質亦及金屬網載碳。
在本發明之一個實施例中,空氣或大氣氧可基本上不受阻礙地流動穿過介質(A2)。
在本發明之一個實施例中,介質(A2)係傳導電流之介質。
在本發明之較佳實施例中,介質(A2)對在標準操作(即充電過程及放電過程)中之電化學電池中所進行之反應有化學惰性。
在本發明之一個實施例中,介質(A2)之內部BET表面積係在20 m2/g至1500 m2/g範圍內,該內部BET表面積較佳係作為表觀BET表面積來測定。
在本發明之一個實施例中,介質(A2)係選自金屬網,例如鎳網或鉭網。金屬網可為粗或細金屬網。
在本發明之另一實施例中,介質(A2)係選自包含金屬絲(例如鉭絲或鎳絲)之導電織物,例如由碳組成之墊、氈或不織布。
在本發明之一個實施例中,介質(A2)係選自氣體擴散介質,例如活性碳、摻雜鋁之氧化鋅、摻雜銻之氧化錫或多孔碳化物或氮化物,例如WC、Mo2C、Mo2N、TiN、ZrN或TaC。
此外,可將呈包含石墨化碳黑(a)及黏合劑(aa)以及如上所述之適宜溶劑或溶劑混合物之液體調配物形式之陰極活性材料(A1)施加至介質(A2),該介質(A2)係通常可用作電化學電池中之隔離件之電絕緣平板材料,且在下文中予以詳細闡述。
此外,陰極(A)可具有本身習用之其他組成部分,例如輸出導體,其可以金屬線、金屬柵格、金屬網、展成金屬、金屬片或金屬箔之形式組態,不銹鋼尤其適宜作為金屬。
陰極(A)之其他組份亦可係(例如)溶劑,該等溶劑應理解為意指有機溶劑,尤其異丙醇、N-甲基吡咯啶酮、N,N-二甲基乙醯胺、戊醇、正丙醇或環己酮。其他適宜溶劑係環狀或非環狀有機碳酸酯,例如碳酸二乙酯、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸二甲酯及碳酸乙酯甲酯,亦及環狀或非環狀有機酯,例如甲酸甲酯、乙酸乙酯或γ-丁內酯(伽馬-丁內酯),亦及環狀或非環狀醚,例如1,3-二氧雜環戊烷。
此外,陰極(A)可包含水。
在本發明之一個實施例中,基於無輸出導體情形下之厚度,陰極(A)之厚度在5 μm至100 μm、較佳10 μm至20 μm範圍內。
陰極(A)可以各種形式(例如桿形式、圓柱、橢圓柱或方柱形式、或立方體形式)組態,尤其亦以平板電極形式組態。舉例而言,在介質(A2)係選自金屬網之情形下,陰極(A)之形狀可基本上由金屬柵格之形狀界定。
在本發明可再充電式電化學電池中,在其放電操作過程中,氣體(尤其分子氧O2)在陰極(A)處還原。可以稀釋形式(例如空氣)或高度濃縮形式使用分子氧O2
在本發明可再充電式電化學電池之另一實施例中,分子氧O2在電化學電池之放電操作過程中於陰極(A)處還原。
本發明可再充電式電化學電池進一步包含至少一個陽極(在下文中亦簡稱為陽極(B)),該陽極包含金屬鎂、金屬鋁、金屬鋅、金屬鈉或金屬鋰。陽極(B)較佳包含金屬鋰。鋰可以純鋰或鋰合金(例如鋰-錫合金或鋰-矽合金或鋰-錫-矽合金)之形式存在。
在本發明之另一實施例中,本發明可再充電式電化學電池係鋰-氧電池,例如鋰-空氣電池。
在本發明之一個實施例中,本發明可再充電式電化學電池包含一或多個將陰極與陽極彼此機械分離之隔離件。適宜隔離件係與在放電操作中於陰極處形成之反應產物金屬鋰且與本發明可再充電式電化學電池中之電解質不反應之聚合物膜,尤其多孔聚合物膜。用於隔離件之尤其適宜材 料係聚烯烴,尤其係多孔聚乙烯膜及多孔聚丙烯膜。
尤其聚乙烯或聚丙烯之聚烯烴隔離件之孔隙率可在35%至45%範圍內。適宜孔直徑係在(例如)30 nm至500 nm範圍內。
在本發明之另一實施例中,所選隔離件可為由填充有無機粒子之PET不織布組成的隔離件。該等隔離件之孔隙率可在40%至55%範圍內。適宜孔直徑係在(例如)80 nm至750 nm範圍內。
另外適宜者係玻璃纖維增強的紙或無機不織布,例如玻璃纖維不織布或陶瓷不織布。
製造本發明可再充電式電化學電池之程序可為:例如,將陰極(A)、陽極(B)及視情況一或多個隔離件彼此組合,並將其與任何其他組成部分一起裝入外殼中。電極(即陰極或陽極)之厚度可在(例如)20 μm至500 μm、較佳40 μm至200 μm範圍內。該等電極可呈(例如)桿形式、圓柱、橢圓柱或方柱形式、或立方體形式、或平板電極形式。
在本發明之另一實施例中,上述本發明可再充電式電池除電極以外亦包含液體電解質,該電解質包含含鋰導電鹽。
在本發明之一個實施例中,本發明之可再充電式電池除陰極(A)及陽極(B)(尤其包含金屬鋰之陽極(B))以外亦包含至少一種非水性溶劑,該非水性溶劑於室溫下可係液體或固體,且於室溫下較佳係液體,且其較佳係選自聚合物、環狀及非環狀醚、環狀及非環狀縮醛、環狀及非環狀有機 碳酸酯及離子液體。
適宜聚合物之實例尤其係聚伸烷基二醇,較佳係聚-C1-C4-伸烷基二醇且尤其係聚乙二醇。該等聚乙二醇可佔一或多種呈共聚合形式之C1-C4-伸烷基二醇之至多20 mol%。聚伸烷基二醇較佳係由甲基或乙基雙封端之聚伸烷基二醇。
適宜聚伸烷基二醇及尤其適宜聚乙二醇之分子量Mw可為至少400 g/mol。
適宜聚伸烷基二醇及尤其適宜聚乙二醇之分子量Mw可為至多5 000 000 g/mol、較佳至多2 000 000 g/mol。
適宜非環狀醚之實例係(例如)二異丙基醚、二-正丁基醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷,較佳者係1,2-二甲氧基乙烷。
適宜環狀醚之實例係四氫呋喃及1,4-二噁烷。
適宜非環狀縮醛之實例係(例如)二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、1,1-二甲氧基乙烷及1,1-二乙氧基乙烷。
適宜環狀縮醛之實例係1,3-二噁烷及尤其1,3-二氧雜環戊烷。
適宜非環狀有機碳酸酯之實例係碳酸二甲酯、碳酸乙酯甲酯及碳酸二乙酯。
適宜環狀有機碳酸酯之實例係通式(I)及(II)之化合物
其中R1、R2及R3可相同或不同,且係選自氫及C1-C4-烷基(例如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、第二丁基及第三丁基),其中R2及R3較佳地並非均為第三丁基。
在尤佳實施例中,R1係甲基且R2及R3各自為氫,或R1、R2及R3各自為氫。
另一較佳環狀有機碳酸酯係式(III)之碳酸伸乙烯基酯。
其他較佳溶劑亦係上述溶劑之氟化衍生物,尤其環狀或非環狀醚、環狀或非環狀縮醛或環狀或非環狀有機碳酸酯之氟化衍生物,每一者中一或多個氫原子經氟原子替代。
溶劑較佳係以稱為無水狀態(即水含量在1 ppm至0.1重量%範圍內)之形式使用,該水含量可藉由(例如)卡爾費希爾滴定(Karl Fischer titration)測得。
在本發明之一個實施例中,本發明可再充電式電化學電池包含一或多種導電鹽,較佳者係鋰鹽。適宜鋰鹽之實例係LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC(CnF2n+1SO2)3、醯亞胺鋰(例如LiN(CnF2n+1SO2)2,其中n為1至20範圍內之整數)、LiN(SO2F)2、Li2SiF6、LiSbF6、 LiAlCl4及通式(CnF2n+1SO2)mXLi之鹽,其中m定義如下:在X係選自氧及硫時,m=1,在X係選自氮及磷時,m=2,且在X係選自碳及矽時,m=3。
較佳導電鹽係選自LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiPF6、LiBF4、LiClO4,尤佳者係LiPF6及LiN(CF3SO2)2
適宜溶劑之實例尤其係碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、碳酸乙酯甲酯、碳酸二乙酯及上述溶劑中至少兩者之混合物,尤其碳酸乙二酯與碳酸乙酯甲酯或碳酸二乙酯之混合物。
在本發明之一個實施例中,本發明可再充電式電化學電池可包含另一電極,例如作為參考電極。適宜的其他電極係(例如)鋰線。
本發明可再充電式電化學電池產生高電壓且因高能量密度及良好穩定性而引人關注。更具體而言,本發明可再充電式電化學電池因改良之循環穩定性而引人關注。
可將本發明可再充電式電化學電池組裝成金屬-空氣電池組,尤其鋰-空氣電池組。
因此,本發明亦進一步提供如上所述之本發明可再充電式電化學電池於金屬-空氣電池組(尤其鋰-空氣電池組)中之用途。
本發明進一步提供包含至少一個如上所述之本發明可再充電式電化學電池之金屬-空氣電池組,尤其鋰-空氣電池組。可以(例如)串聯連接或並聯連接形式將本發明可再充電式電化學電池彼此組合於本發明金屬-空氣電池組(尤其 鋰-空氣電池組)中。串聯連接較佳。
本發明可再充電式電池因尤其高之容量、高性能(即使在重複充電後)及顯著延遲之電池失效而引人關注。本發明可再充電式電池極適用於機動車輛、由電動馬達操作之自行車(例如電動助力車(pedelec))、飛機、船或固定能量儲存器中。該等用途構成本發明之標的物之另一部分。
本發明進一步提供如上所述之本發明可再充電式電化學電池於機動車輛、由電動馬達操作之自行車、飛機、船或固定能量儲存器中之用途。
在裝置中使用本發明金屬-空氣電池組(尤其鋰-空氣電池組)給出以下優點:在再充電前之延長之運行時間及延長之運行時間過程中之較小容量損失。若本發明欲用具有較低能量密度之電化學電池達成相等之運行時間,則將必須接受較高重量之電化學電池。
因此,本發明亦進一步提供本發明金屬-空氣電池組(尤其鋰-空氣電池組)於裝置(尤其移動裝置)中之用途。移動裝置之實例係載具,例如機動車輛、自行車、飛機或諸如小艇或船等水上載具。移動裝置之其他實例係彼等可攜帶者,例如電腦(尤其膝上型電腦)、電話或來自(例如)建築業之電力工具,尤其鑽、電池組驅動型螺絲起子(screwdriver)或電池組驅動型敲釘器(tacker)。
藉由遵循但不限制本發明之實例來闡釋本發明。
除非另有明確說明,否則百分比形式之數值各自係基於重量%。
I.本發明可再充電式電化學電池之製造 I.I陰極活性材料油墨之製造
為製造油墨,混合180 mg石墨化碳黑(來自Tanaka,Japan之Vulcan XC72型石墨化碳黑;N2 BET表面積:92.5 m2/g)及4.1 g異丙醇。然後在超音波發生器(sonotrode)上預分散混合物。使用Branson 250數位探針超音波儀分散20 min。隨後,邊攪拌邊向經分散混合物中添加0.85 g鋰-Nafion懸浮液(LITHion®懸浮液,10.6%存於異丙醇中之Li交換型Nafion®),並將混合物再攪拌30秒。
I.II陰極之製造
藉助邁耶桿法(Mayer rod method)將所製造之油墨施加至來自Celgard之Celgard® C480隔離件(三層PP/PE/PP膜;厚度大約為21.5 μm),並在室溫下乾燥。自所塗佈隔離件沖出呈15 mm直徑之圓盤形式之陰極,且然後在95℃下於降低之壓力下在Büchi玻璃烘箱中乾燥6 h。所得碳載量係0.41 mg碳/cm2陰極。
I.III本發明可再充電式電化學電池之組裝及操作
所用電解質係存於碳酸丙二酯(PC,Aldrich,99.7%)與1,2-二甲氧基乙烷(DME,Aldrich,99.5%)之1:2混合物中之1M LiPF6(Sigma-Aldrich,99.99%)。電解質之水含量低於4 ppm(藉由卡爾費希爾滴定測定)。
在含Ar手套箱中構建鋰-氧電池。如Electrochemical and Solid-State Letters,13(6)A70(2010)中所展示及 所闡述來製造並使用電池。使用鋰箔作為陽極,並將40 μl電解質施加至鋰箔。隨後,在上方放置2層Celgard® C480隔離件,並向隔離件再添加40 μl電解質。隨後,在上方放置陰極(經塗佈隔離件),並再添加40 μl電解質。亦使用不銹鋼網(SAE級316Ti)作為陰極側上之輸出導體。封閉電池(6 Nm/螺旋),並用純氧以80 ml/min吹掃35秒。以恒電流形式使電池放電並使用VMP3,Bio-Logic,France充電。
電池電位不小於2.0 V(放電期間)且在充電過程中不大於4.5 V下之電流係0.05 mA/cm2 電極(120 mA/g)。

Claims (14)

  1. 一種可再充電式電化學電池,其包含A)至少一個陰極,該陰極包含(A1)至少一種陰極活性材料,該陰極活性材料包含(a)至少一種石墨化碳黑及(aa)至少一種黏合劑,以及視情況至少一種氣體可擴散穿過或視情況用作該陰極活性材料之載體之固體介質;以及B)至少一個陽極,該陽極包含金屬鎂、金屬鋁、金屬鋅、金屬鈉或金屬鋰。
  2. 如請求項1之可再充電式電化學電池,其中陰極(A)係氣體擴散電極。
  3. 如請求項1或2之可再充電式電化學電池,其中該石墨化碳黑(a)之BET表面積係在1 m2/g至150 m2/g範圍內。
  4. 如請求項1至3中任一項之可再充電式電化學電池,其中該石墨化碳黑(a)係藉由在超過2000℃之溫度下熱處理藉由選自爐法、氣體碳黑法、燈碳黑法、乙炔碳黑法及熱碳黑法之方法生產之碳黑來獲得。
  5. 如請求項1至4中任一項之可再充電式電化學電池,其中該石墨化碳黑(a)係呈平均粒度在0.5 μm至1 μm範圍內之粒子形式。
  6. 如請求項1至5中任一項之可再充電式電化學電池,其中基於該陰極活性材料之總質量,該陰極活性材料包含介 於0與0.05重量%之間之過渡金屬或過渡金屬化合物,該過渡金屬或過渡金屬化合物係呈分子形式或呈平均粒度在1 nm至100 μm範圍內之粒子形式。
  7. 如請求項1至6中任一項之可再充電式電化學電池,其中分子氧O2在該電化學電池之放電操作過程中於該陰極(A)處還原。
  8. 如請求項1至7中任一項之可再充電式電化學電池,其中該陽極(B)包含金屬鋰。
  9. 如請求項7或8之可再充電式電化學電池,其中該電化學電池係鋰-氧電池。
  10. 如請求項1至9中任一項之可再充電式電化學電池,其包含液體電解質,該液體電解質包含含鋰導電鹽。
  11. 如請求項1至10中任一項之可再充電式電化學電池,其包含至少一種選自以下之非水性溶劑:聚合物、環狀或非環狀醚、非環狀或環狀縮醛以及環狀或非環狀有機碳酸酯。
  12. 一種如請求項1至11中任一項之可再充電式電化學電池之用途,其係用於金屬-空氣電池組中。
  13. 一種金屬-空氣電池組,其包含至少一個如請求項1至11中任一項之可再充電式電化學電池。
  14. 一種如請求項1至11中任一項之可再充電式電化學電池之用途,其係用於機動車輛、由電動馬達操作之自行車、飛機、船或固定能量儲存器中。
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