TW201436337A - 用於鋰氧電池的陰極材料 - Google Patents

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Abstract

一種鋰氧電池，可以包括陽極、陰極以及電解質，該電解質位於該陽極及該陰極之間並與該陽極及該陰極接觸。該陽極可以包括鋰及/或鋰合金。在一些實例中，該陰極界定主要為金屬氧化物的表面，該金屬氧化物的電子傳導性為每公分至少10-1西門子。在一些實例中，該陰極界定與氧接觸的表面且該陰極包含氧化釕。在一些實例中，該陰極界定一表面，該表面實質上被氧化釕覆蓋且與氧接觸。

Description

用於鋰氧電池的陰極材料
本案揭露內容是有關於鋰氧電池。
電池技術正持續不斷的發展而能有較高的能量密度及較大的效率，讓電池能作為更多應用的電源。舉例來說，目前一項重大的努力是想利用電池作為電動運具的動力。在現有電池的技術中，例如鉛酸電池或鋰離子電池等的重量能量密度(例如表示為瓦-小時每公斤，即Wh/kg)比期望用在增程(extended range)運具中的電池的重量能量密度來得低。有較高能量密度的電池技術也能夠對其他使用電池技術的應用有所助益。
可再充電的鋰氧(Li-O2)電池理論上可以儲存較目前的鋰離子電池多約5-10倍以上的電量。對於眾多之應用(包括作為電動運具的動力)，高能量密度使得鋰氧電池在作為上述應用的緊急儲能系統方面變得非常具有吸引力。鋰氧電池是由鋰金屬陽極、空氣陰極及含有鋰鹽的電解質所組成，其中空氣陰極是從外部環境中取得氧，而電解質則與上述陽 極及陰極兩者接觸。在某些實例中，氧可由空氣提供，在此情況下，此電池可以被認為是一種鋰空氣(Li-air)電池。
鋰氧電池與鋰空氣電池在放電過程中是藉由O2的還原反應而在陰極上形成過氧化鋰(Li2O2)來運作，而充電時的反應程序則反過來。因為電池運作過程中的化學變化與超氧化物及過氧化物(例如Li2O2)的產生有關，而超氧化物及過氧化物具有高度的反應性，因此用於陰極的材料的化學穩定性會影響到此鋰氧電池在重複的充放電過程中是否能維持穩定。
本案揭露內容敘述一種用於鋰氧電池陰極的新材料。在某些實例中，陰極材料可以包括一導電金屬氧化物，該金屬氧化物包括每公分至少約10-1西門子(S/cm；約10S/m)的電子傳導性。在某些實例中，此導電金屬氧化物可以有鋰氧電池的電化學活性，例如有氧還原反應(ORR)活性及氧釋出反應(OER)活性，所述氧還原反應與氧釋出反應分別在鋰氧電池放電和充電時發生在陰極上。此外，在某些實例中，此導電金屬氧化物在電化學反應的中間物(intermediate)和產物(product)(例如是Li2O2和過氧化物)的存在下，可以實質上維持穩定。
在某些實例中，該陰極材料可以包括氧化釕(RuO2)。在過氧化物和Li2O2存在下，RuO2實質上維持化學穩定，具有鋰氧電池的電化學活性，以及具有導電性。RuO2可在大於例如10莫耳百分比(mol.%)之濃度下存在於陰極 中。RuO2可以存在於陰極的表面上。在某些實例中，陰極的表面實質上可以被RuO2所覆蓋。
在一個態樣中，本案揭露內容敘述一種鋰氧電池，包括：包含鋰的陽極；界定與氧接觸之表面的陰極，其中該陰極包括氧化釕；以及非水性的電解質，該電解質位於陽極和陰極兩者之間，且與陽極和陰極兩者接觸。
在進一步之態樣中，本案揭露的內容敘述一種鋰氧電池，包括：包括鋰的負極；界定表面的正極，其中該表面主要為金屬氧化物，此金屬氧化物的電子傳導性為至少10-1S/cm；以及非質子性電解質，該電解質位於負極和正極兩者之間，且與負極和正極兩者接觸。
在另一態樣中，本案揭露內容敘述一種方法，包括下列步驟：形成包括氧化釕的陰極；形成包括鋰的電極；以及將非水性電解質與該陰極及該陽極組裝而形成鋰氧電池，其中該非水性電解質位於陽極和陰極兩者之間，且與陽極和陰極兩者接觸。
以下所附圖式及說明中提出一或多個實例的細節。從說明、所附圖式以及申請專利範圍中，將可使本案揭露內容的其他特徵、目的及優點更明顯易懂。
10‧‧‧鋰氧電池
12‧‧‧陽極
14‧‧‧電解質
16‧‧‧陰極
18‧‧‧Li+離子
20‧‧‧氧分子
22‧‧‧Li2O2
24‧‧‧孔洞及/或通道
26‧‧‧電壓源
28‧‧‧結構支撐物
29‧‧‧氧氣源
30‧‧‧電化學單元
32‧‧‧金屬鋰陽極
34‧‧‧不鏽鋼盤
36‧‧‧電解質
38‧‧‧參考電極
40‧‧‧氧氣或氬氣
42‧‧‧O2源或Ar源
44‧‧‧排氣口
50‧‧‧鋰氧電池
52‧‧‧石英小管
54‧‧‧陰極
56‧‧‧電解質/隔板
58‧‧‧鋰陽極
60‧‧‧正極端子
62‧‧‧負極端子
64‧‧‧頭部空間
66‧‧‧進氣口
68‧‧‧排氣口
第1圖是說明非質子性鋰氧電池實例的概念示意圖。
第2圖是說明利用鋰氧電化學作用之整體電化學單元實例的概念示意圖。
第3圖是具不鏽鋼電極或具塗佈有氧化釕之不鏽鋼電極之多個電化學單元實例的循環伏安圖。
第4圖是說明氧化釕電極之循環穩定性實例的循環伏安圖。
第5圖是多孔性陰極實例的影像，該多孔性陰極是透過將氧化釕膏狀物散佈(spread)在不鏽鋼網格上製備而成。
第6圖是說明具有Swagelok®型態的幾何結構的鋰氧電池實例的概念示意圖。
第7圖是陰極包括氧化釕的鋰氧電池實例的放電與再充電動作的圖表。
第8圖是陰極包括碳的鋰氧電池實例的放電與再充電動作的圖表。
第9圖是陰極包括氧化釕的鋰氧電池實例在放電過程中氣體釋出的圖表。
第10圖是顯示以RuO2為基礎的(RuO2 based)陰極在加熱到溫度接近過氧化鋰分解溫度時之實例影像。
第11圖是陰極包括含氧化釕的鋰氧電池實例在放電與再充電動作超過10個循環時的圖表。
本案揭露內容敘述鋰氧(Li-O2)電池(包括鋰空氣電池)及用於形成鋰氧池的技術。舉例來說，本案揭露內容敘述用於鋰氧電池的陰極材料。該陰極材料可以包括例如氧化釕(RuO2)，氧化釕具導電性，具有鋰氧電池的電化學活性，並且在鋰氧電池運作所生成的產物存在下可以維持穩定。
例如在和鋰離子電池或鉛酸電池相較下，鋰氧電池可以提供相對高的重量能量密度(瓦-小時每公斤；Wh/kg)。理論上鋰氧電池的重量能量密度大約是11,680Wh/kg，這是藉由1公斤的鋰金屬的氧化所計算出來的。上述能量密度與汽油的能量密度相較相當有利，汽油是目前運具所選擇的燃料，能量密度大約是13,000Wh/kg。
鋰氧電池的設計與功能也會受其他的考量所影響。舉例來說，功率密度(以瓦每公斤(W/kg)來測量)對於運具的動力是重要的。現有鋰氧電池的功率密度相當低。雖不希望受限於任何的理論，然而目前研究的結果指出鋰氧電池放出能量的機制是，在鋰離子存在下對氧進行還原反應以生成鋰氧化物(諸如過氧化鋰)。因此，為了提供高的功率需要非常的大的表面積。舉例來說，在電池電壓2.5伏(V)及電流密度每平方公分25毫安培(mA/cm2)下功率輸出為100千瓦的電池可能需要160平方公尺的內表面積。
鋰氧電池可能包括四種化學作用其中之一：非質子性液態電解質、水性電解質、包括浸泡陰極的水性電解質及浸泡陽極的非質子性電解質的混合系統，及包括固體電解質的固態電池。包圍陰極的電解質會影響能量儲存及放出的基本化學作用。
在本案揭露內容中所敘述的鋰氧電池包括：鋰金屬及/或鋰合金的陽極、包括導電多孔性材料的陰極，及與上述陽極和陰極兩者接觸的鋰離子(例如Li+)傳導電解質。某些用於鋰氧電池的陰極採用碳作為導電性的多孔材料，因為碳 對於電池的電化學作用相對的穩定，讓高度多孔結構易於製備，且並不昂貴。舉例來說，高表面積的碳黑粉末可以在使用聚合物結合劑而結合在金屬網格上之後用作為陰極。然而，碳可能會與電池運作的產物過氧化鋰(Li2O2)發生反應而生成碳酸鋰。Li2O2與碳之間形成碳酸鋰的化學反應是強烈的放熱反應。
本案揭露內容敘述鋰氧電池的陰極的替代材料。在某些實例中，陰極可以包括氧化釕(RuO2)。RuO2實質上對鋰氧電池運作下的中間物和產物(例如Li2O2)呈惰性。RuO2亦具有導電性，並具氧還原反應(ORR)活性和氧釋出反應(OER)活性。在某些實例中，陰極可以僅包括RuO2或是包括RuO2和一或多個其他金屬氧化物或其他材料之組合。舉例來說，陰極可以包括不鏽鋼網格，該不鏽鋼網格至少一部分被RuO2膏狀物及/或RuO2膜覆蓋。在某些實例中，該陰極可包括例如大於10%的表面覆蓋率。在某些實例中，該陰極可包括主要被RuO2所覆蓋的表面，例如，至少50%的陰極表面可被RuO2所覆蓋。
在其他實例中，用於鋰氧電池的陰極可以包括主要由一金屬氧化物所覆蓋的表面，該金屬氧化物具有至少約每公分10-1西門子(S/cm；約10S/m)的電子傳導性。該金屬氧化物可以覆蓋陰極的表面超過10%，或是可以覆蓋至少約50%的表面(亦即主要覆蓋表面)。在某些實例中，陰極可以包括至少兩種不同的的金屬氧化物。該金屬氧化物或該至少兩種金屬氧化物的其中之一可以包括RuO2。
第1圖是說明鋰氧電池10之實例的概念示意圖。在某些實例中，鋰氧電池10可以利用非質子電解質，並且可以被認為是一種非質子鋰氧電池。在其他實例中，鋰氧電池10可以利用其他種類的電解質，諸如水性電解質、包括浸泡陰極的水性電解質和浸泡陽極的非質子性電解質的混合系統，或是固體電解質。
鋰氧電池10包括陽極12。在某些實例中，陽極12基本上由鋰所構成。在其他實例中，陽極12可以包括摻合(alloy)一或多種額外元素的鋰。在某些實施方式中，陽極12可以包括形成在陽極12表面上的薄膜。該薄膜可以是鋰離子傳導膜，諸如鋰離子傳導聚合物、鋰離子傳導嵌段共聚物、鋰離子傳導陶瓷，或是鋰離子傳導聚合物-陶瓷複合物。在某些實例中，鋰穩定傳導材料的薄膜可以存在於該鋰陽極和前述薄膜之間。
陽極12與電解質14接觸(例如至少部分為電解質14所包圍)。電解質14可以包括非水性介質，該介質包括但不限於非質子液體，舉例來說，諸如有機溶劑。該有機溶劑例如可以包括醚類(包括烷醚或環醚，例如四氫呋喃(THF)或二氧戊環)、酯類(包括γ-丁酸內酯、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲亞碸(DMSO))，或是其他適於用在金屬-空氣電池及/或金屬-氧電池的溶劑。電解質14可以溶合(solvate)鋰鹽類(例如LiPF6、LiClO4、二(三氟甲烷碸基)亞醯胺鋰(LiTFSI)、LiBF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiSO3CF3及/或其他適於用在金屬-空氣電池及/或金屬-氧電池的鹽 類)，以形成離子(包括Li+離子18)。電解質14亦可具有相對高的氧化穩定性。在其他實例中，電解質14可以包括水性電解質、包括浸泡陰極16的水性電解質和浸泡鋰陽極12的非質子性電解質的混合系統，或是固體電解質。
鋰氧電池10亦包括陰極16。在某些實例中，陰極16可以包括導電金屬氧化物，該金屬氧化物提供了OER和ORR活性。在某些實例中，陰極16可以在OER及/或ORR的產物(例如超氧化物及/或Li2O2)存在下維持化學穩定。
在某些實例中，陰極16包括導電金屬氧化物。在某些實施方式中，該導電金屬氧化物可具有至少10-1S/cm的電子傳導性。具有至少10-1S/cm的電子傳導性而可被使用的金屬氧化物包括例如氧化釕(RuO2)、氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、氧化鎢(WO2)、氧化鍶釕(SrRuO3)、氧化鉻(CrO2)、氧化鉬(MoO2)、氧化銠(RhO2)、氧化鎝(TcO2)、氧化錸(ReO2)及/或氧化銥(IrO2)。舉例來說，RuO2具有大於10-4S/cm的電子傳導性。
另外，RuO2可以存在陰極16的表面，使得RuO2可與陰極16的背面所提供的氣相的氧分子20接觸。在某些實例中，陰極16可以包括表面覆蓋率超過約10%的RuO2。在某些實例中，陰極16的表面可主要為RuO2所覆蓋(例如覆蓋至少大約50%)。
在某些實例中，陰極16可以包括至少兩種金屬氧化物。在某些實施方式中，上述至少兩種金屬氧化物可以包括RuO2和至少一種其他金屬氧化物。在某些實例中，該至少一 種其他金屬氧化物可具有導電性(例如電子傳導性至少大約10-1S/cm)。該至少一種其他金屬氧化物在陰極16上可以提供OER及/或ORR的活性。在其他實例中，該至少一種其他金屬氧化物在陰極16上可不提供OER及/或ORR的活性。在某些實例中，該至少一種其他金屬氧化物對於鋰氧電池運作的中間物和產物(例如Li2O2)可呈惰性。因此，在某些實例中，該至少一種其他金屬氧化物可助於下述性質中之至少一者：電子傳導性、化學活性、及/或對於鋰氧電池運作的中間物和產物的惰性。舉例來說，該至少一種其他金屬氧化物可以包括氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、WO2、SrRuO3、CrO2、MoO2、RhO2、TcO2、ReO2及/或IrO2。
如第1圖所示，陰極16可以形成為多孔性結構。陰極16可以包括具有多個孔洞及/或多個通道24的多個實心部(solid portion)，該些孔洞及/或通道24是形成於該些實心部之間。孔洞及/或通道24讓氧分子20和來自電解質14的Li+1離子18於陰極16表面接觸。以此方式，孔洞及/或通道24可以在進行ORR時促進Li+1離子18的氧化反應，以及在進行OER時促進Li2O2的還原反應。
陰極16的多孔性可以用許多不同的方式形成，例如，利用結構導引材料(諸如界面活性劑及/或其他犧牲材料)將導電金屬氧化物(例如RuO2)形成單片的多孔性結構。舉例來說，導電金屬氧化物的前驅物可以和犧牲材料同時沉積。可以對該犧牲材料和導電金屬氧化物加以挑選，使得該導電金屬氧化物一旦沉積即形成連續的基質(matrix)相，而 犧牲材料則是不連續的區域(domain)。在沉積完成後可以將犧牲材料移除，例如，透過對該結構加熱而將該犧牲材料燒掉或是透過利用化學藥品將該犧牲材料選擇性移除。一旦該犧牲材料移除後，就會留下包括導電金屬氧化物的單片的多孔性材料。
做為其他的實例，可以利用膏狀物和結構支撐物形成陰極16。在某些實例中，該結構支撐物可具有導電性並作為集電器。該膏狀物可以包括混合有結合劑的導電金屬氧化物(例如RuO2)的粉末。舉例來說，該結合劑可以是熱可塑性樹脂或是熱固化性樹脂。舉例來說，該結合劑可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯腈(PAN)或相似材料。在某些實例中，該結合劑包括至少兩種熱可塑性樹脂及/或熱固化性樹脂。
可以將該膏狀物鋪設在結構支撐物28上。在某些實例中，該結構支撐物28可以由非導電(例如絕緣)材料來形成。可利用至少一種導電金屬氧化物(例如RuO2、氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、WO2、SrRuO3、CrO2、MoO2、RhO2、TcO2、ReO2、及/或IrO2)至少部分覆蓋該結構支撐物。在其他實例中，該結構支撐物可以由導電材料來形成。結構支撐物材料包括但不限於導電粉末(例如金屬及/或碳粉末)、編織或非編織的金屬纖維、金屬泡狀物、編織或非編織的碳纖維或其他相似材料。舉例來說，用於結構支撐物的其他材料可以包括不繡鋼網格、鋁(Al)網格、鎳(Ni)泡狀物及碳紙。
在某些實例中，導電性結構支撐物28可以作為集電 器。在另一替代方案中，陰極16可以包括分離的集電器。集電器可以包括適於導電的材料，該適於導電的材料電性連接陰極16並且收集在鋰氧電池10放電期間在陰極16上所產生的電子，以及對於鋰氧電池10所連接的外部電路提供導電路徑。相似地，在鋰氧電池10再充電期間，集電器提供外部電壓源和陰極16之間的電路徑，以藉由氧氣釋出反應(OER)(在以下說明)對Li2O2的分解提供電壓。舉例來說，集電器可以包括導電粉末(例如金屬及/或碳粉末)、編織或非編織的金屬纖維、金屬泡狀物、編織或非編織的碳纖維或其他相似材料。舉例來說，用於支撐物的材料包括不繡鋼網格、鋁(Al)網格、鎳(Ni)泡狀物及碳紙。在其他實例中，導電金屬氧化物(例如RuO2)可以作為集電器，而陰極16可以不包括分離的集電器。
在鋰氧電池10的運作過程中，氧氣源29對陰極16饋送氧分子20。氧氣源可以是流體連通式(fluidly)連接至陰極16上遠離電解質14的一側。目前已知在非質子性鋰氧電池10中，基礎的可再充電陰極的放電反應為：2Li+O2→Li2O2並且可能是2Li+(1/2)O2→Li2O因此，在放電反應期間藉由氧還原反應(ORR)形成不可溶的Li2O2 22。放電反應造成陰極16與陽極12之間的電壓差。在鋰氧電池10的再充電期間，藉由電壓源26將電壓施加到陽極12與陰極16上，並且藉由氧釋出反應(OER)將Li2O2 分解成Li+離子18而釋出氧氣。如上所述，導電金屬氧化物(例如RuO2)可以提供ORR或OER的活性，促進這些反應。此外，導電金屬氧化物(例如RuO2)可以在Li2O2以及在該OER和ORR的其他中間物和產物的存在下實質地維持穩定。
在某些實例中，在鋰氧電池10可能經歷的溫度下，連同高於鋰氧電池10正常運作溫度的安全邊界內的溫度下，該導電金屬氧化物(例如RuO2)也可維持熱穩定。舉例來說，導電金屬氧化物(例如RuO2)可以顯現出熱穩定度至多達約220℃的溫度。
實例1
第2圖是說明利用鋰氧電化學作用之整體電化學單元實例的概念示意圖。利用濺鍍，在不鏽鋼盤上(直徑0.5英寸)沉積RuO2薄膜。藉由將兩個電極(也就是金屬鋰陽極32和塗佈有RuO2的不鏽鋼盤34)放置在電解質36之中而製備整體電化學單元30。DME中LiTFSI為0.25莫耳濃度(M)的溶液用作為電解質36。鋰用作為參考電極38。在量測期間，由O2源或Ar源42以冒泡供氣(bubble)對單元30提供氧氣(O2)或氬氣(Ar)40。利用排氣孔44排除單元30中過多的O2或Ar。
循環伏安法(CV)被用以檢測RuO2表面的ORR(氧還原反應)及OER(氧釋出反應)的活性。第3圖顯示不鏽鋼陰極和包括塗佈有RuO2的不鏽鋼盤34的陰極的循環伏安圖。在O2環境下，不鏽鋼陰極在循環伏安法量測期間並未顯現出任何氧化還原反應的活性。相較之下，在O2環境下，塗 佈有RuO2的不鏽鋼盤34顯現出清楚的氧化還原反應的活性。當不是氧氣而是氬氣被導入時，塗佈有RuO2的不鏽鋼盤34的氧化還原反應活性消失，暗示氧化還原反應的活性是來自於位於RuO2表面的ORR和OER。
實例2
包括RuO2的電極的循環穩定度是利用循環伏安法進行測試。第4圖是說明在與實例1相同的實驗設定下，氧化釕電極的循環穩定度實例的循環伏安圖。第4圖說明當電壓在1.9伏(V)和4.2V之間時，包括RuO2的電極的穩定循環動作。第4圖也說明了當循環是從1.9V到4.0V時所顯現出的不穩定度。這暗示在氧釋出反應期間，較低的電壓(4.0V)可能已不足以完全移除電極表面上的所有材料沉積物。然而，考慮到以碳為基礎的陰極利用2.0V到4.55V的電壓範圍達到穩定循環，因此RuO2對於較低的電壓範圍顯現出循環的穩定度。
實例3
製備鋰氧電池來測試放電和充電的特性。第5圖是多孔性陰極實例的影像，該多孔性陰極是將氧化釕膏狀物噴灑在不鏽鋼網格上製備而成。不鏽鋼網格(第5圖左側)被切成多個直徑1/2英寸的區段並塗佈上RuO2膏狀物，RuO2膏狀物是藉由將RuO2粉末和20重量百分比(wt.%)的聚四氟乙烯(PTFE)混合在水分散液中製備而成。電池是利用Swagelok®型態的幾何結構來組裝。第6圖是說明具有Swagelok®型態的幾何結構的鋰氧電池實例的概念示意圖。鋰 氧電池50包括石英小管52，該石英小管52形成陰極54、電解質/隔板56和鋰陽極58的封裝結構。鋰金屬陽極58大約是248微米厚。電解質/隔板56包括浸置於0.25M LiTFSI的DMF溶液的單層聚丙烯隔板(取得自美國北卡萊納州夏洛特市的Celgard公司，商品名為Celgard® 2400)。陰極54包括塗佈有RuO2的不鏽鋼網格。
正極端子60電性連接陰極54，而負極端子62電性連接鋰陽極58。陰極54上方是頭部空間64，用以供氧氣由氧進氣口66進入鋰氧電池50以及供氣體經由排氣口68逸出鋰氧電池50的多重管路。
將電池50以200μA進行5小時放電/再充電，同時監視氧氣的消耗與產生。第7圖是陰極包括RuO2之鋰氧電池實例的放電與再充電動作的圖表。第8圖陰極包括碳之鋰氧電池實例的放電與再充電動作的圖表。具有碳陰極的鋰氧電池包括一幾何結構，該幾何結構和具有塗佈RuO2的不鏽鋼網格陰極的鋰氧電池的幾何結構相似。
第7圖顯示，使用塗佈有RuO2的不鏽鋼網格陰極的鋰氧電池10供給非常穩定的放電電壓。對於再充電，使用塗佈有RuO2的不鏽鋼網格陰極的單元較使用碳陰極的單元顯示有更低的再充電電壓。在再充電的整個時期內，包括碳陰極的單元顯示幾乎線性的電壓增加。這暗示塗佈有RuO2的不鏽鋼網格陰極容許再充電期間有較少的過電壓(overpotential)，而可減少再充電期間單元中材料分解的任何可能性。
第9圖是陰極包括RuO2的鋰氧電池實例在放電過程中氣體釋出的圖表。鋰氧電池具有如上述的Swagelok®的幾何結構。氣體釋出是使用DEMS(微分電化學質譜)來量測。如第9圖所示，在再充電過程中O2釋出並且在再充電過程的非常後段CO2釋出，後者可能是由於電化學單元中發生了其他的化學反應，例如是發生在電解質中的反應。同樣的，有非常小量的H2釋出，這被認為可能是電解質及/或電解質中微量的水的分解所致。
實例4
對具有陰極材料之鋰氧電池放電產物之反應進行測試。透過使用鎳泡狀物作為集電器而製備以碳為基礎的陰極(Ketjenblack®，具PTFE結合劑)及以RuO2為基礎的陰極，並且以DME中LiTFSI為0.25M的電解質使陰極進行放電。對兩個單元的放電量進行相似的控制：280mAh/g用於碳陰極，而300mAh/g用於以RuO2為基礎的陰極。放電後的陰極在乾燥箱中利用溶劑進行清洗以移除鋰鹽殘留物並且加以乾燥。放電後的陰極在周圍環境條件下被放置在設定溫度接近過氧化鋰分解溫度(約195℃)的加熱板上。第10圖是顯示該以RuO2為基礎的陰極在加熱到溫度接近過氧化鋰分解溫度時的影像。RuO2陰極在這些實驗條件下並未顯現出任何反應發生的證據，表示RuO2陰極對於鋰氧電池的放電產物(例如Li2O2)是維持穩定的。相對的，對於以碳為基礎的陰極，碳與在放電過程中沉積在陰極上的產物(例如Li2O2)可能發生強烈的放熱反應。
實例5
接著測試具有以RuO2為基礎的陰極的鋰氧電池的循環效益(cyclability)。用於電池的材料疊層為：鋰金屬陽極(248微米厚)/浸泡於0.1M LiClO4的DMSO溶液的玻璃纖維膜/塗佈有RuO2的不鏽鋼網格陰極。第11圖是鋰氧電池的放電與再充電動作循環超過10次時的圖表。相似於第7圖所顯示的結果，再充電電壓低於以碳為基礎之陰極的電池，這很可能是沒有陰極的表面沒有烷基碳酸鋰(lithium(alkyl)carbonates)的鈍化所致。如第11圖所示，放電/再充電的動作可以非常穩定的達到10次循環，表示具有以RuO2為基礎的陰極的鋰氧電池是穩定的並具良好的循環效益。
在此已敘述了不同的實例。該等實例及其他的實例都落入以下之請求項的範疇之中。
10‧‧‧鋰氧電池
12‧‧‧陽極
14‧‧‧電解質
16‧‧‧陰極
18‧‧‧Li+離子
20‧‧‧氧分子
22‧‧‧Li2O2
24‧‧‧孔洞及/或通道
26‧‧‧電壓源26
28‧‧‧結構支撐物
29‧‧‧氧氣源

Claims (20)

  1. 一種鋰氧電池，包括：一陽極，包括鋰；一陰極，界定與氧接觸的一表面，其中該陰極包括氧化釕；及一非水性電解質，位於該陽極與該陰極兩者之間並且與該陽極與該陰極兩者接觸。
  2. 如請求項1所述之鋰氧電池，其中氧化釕覆蓋在該陰極上且超過該陰極的該表面的10%。
  3. 如請求項1所述之鋰氧電池，其中氧化釕覆蓋在該陰極上且超過該陰極的該表面的50%。
  4. 如請求項1所述之鋰氧電池，其中該陰極進一步包括至少一種額外的導電金屬氧化物。
  5. 如請求項4所述之鋰氧電池，其中該至少一種額外的導電金屬氧化物包括氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、WO2、SrRuO3、CrO2、MoO2、RhO2、TcO2、ReO2、與IrO2的至少其中之一種。
  6. 如請求項1所述之鋰氧電池，其中該陰極進一步包括一導 電集電器，以及其中該氧化釕附著在該導電集電器的一表面上。
  7. 如請求項1所述之鋰氧電池，其中該陰極界定一多孔性結構。
  8. 一種鋰氧電池，包括：一負極，包括鋰；一正極，界定一表面，其中該表面主要為具有一電子傳導性至少10-1S/cm的金屬氧化物；及一非質子電解質，位於該負極與該正極之間並與該二者接觸。
  9. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該金屬氧化物包括氧化釕。
  10. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該正極包括二個不同種類的金屬氧化物。
  11. 如請求項10所述之鋰氧電池，其中該二個不同種類的金屬氧化物包括氧化釕且包括氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、WO2、SrRuO3、CrO2、MoO2、RhO2、TcO2、ReO2、與IrO2的至少其中之一種。
  12. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中氧化釕覆蓋在該正極上且超過該正極的該表面的10%。
  13. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該正極界定一多孔性結構。
  14. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該金屬氧化物提供氧還原反應及氧釋出(oxygen evolution)反應活性。
  15. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該金屬氧化物係作為一集電器。
  16. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該陰極進一步包括一集電器，其中該金屬氧化物附著在該集電器上。
  17. 如請求項8所述之鋰氧電池，其中該金屬氧化物顯現熱穩定度多達約220℃的溫度。
  18. 一種方法，包括以下步驟：形成包括氧化釕的一陰極；形成包括鋰的一電極；及將一非水性電解質與該陰極及該陽極組裝而形成一鋰氧電池，其中該非水性電解質是位在該陽極與該陰極兩者之間並與該陽極與該陰極兩者接觸。
  19. 如請求項18所述之方法，其中氧化釕覆蓋在該陰極上且超過該陰極的表面的10%。
  20. 如請求項18所述之方法，其中形成包括氧化釕的該陰極的步驟包括下述步驟：形成該陰極且該陰極包括氧化釕以及氧化鈦次氧化物(TiO2-x)、WO2、SrRuO3、CrO2、MoO2、RhO2、TcO2、ReO2、與IrO2的至少其中之一種。
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