空氣電池及製造方法
2023-05-27 13:52:01
專利名稱：空氣電池及製造方法
技術領域：
本發明大體來說涉及電池，且更特定來說涉及空氣陰極類型的電池。
背景技術：
鋰空氣電池由經由空氣陰極電氣化學耦合到大氣氧的鋰陽極組成。經由空氣陰極 引入到所述電池中的氧氣體實質上是無限的陰極反應物源。這些電池具有非常高的比 能及相對平坦的放電電壓曲線。
提供比現有技術的那些電池容易製造的鋰空氣電池將是有益的。相應地，本發明 的主要目的就是提供此種電池。
發明內容
在本發明的優選形式中，空氣電池包含陽極、鄰近所述陽極定位的液體電解質、 鄰近所述液體電解質定位的第一玻璃電解質層、接合到所述第一玻璃電解質層的第一 多孔支撐襯底及定位於鄰近所述第一多孔支撐襯底且與所述第一玻璃電解質層相對 的空氣陰極。
在本發明的另一優選形式中， 一種製造空氣電池的方法包含以下步驟提供粘性 空氣陰極層、將第一多孔支撐襯底放置在所述粘性空氣陰極層上從而允許所述粘性空 氣陰極層的一部分被吸入所述第一多孔支撐襯底內，在所述第一多孔支撐襯底上沉積 第一玻璃屏障層、將陽極定位於鄰近所述玻璃屏障層及將電解質定位於所述陽極與所 述玻璃屏障層之間。
圖1是包含優選形式的本發明的原理的空氣電池的透視圖。
圖2是圖1的空氣電池的部分分解圖。 圖3是圖1的電池的製造工藝的示意圖。圖4是圖1的空氣電池的一部分的剖面圖。
圖5是顯示正被電鍍的圖1的空氣電池的的一部分的剖面圖。 圖6是顯示在電鍍之後的圖1的空氣電池的一部分的剖面圖。 圖7是圖1的空氣電池的一部分的剖面圖。 圖8是圖1的空氣電池的一部分的剖面圖。
具體實施例方式
接下來參照圖式，圖式中顯示包含優選形式的本發明的原理的電池或電氣化學電 池10。電池10包括嵌入於液體電解質12內的鋰箔陽極11,所述鋰箔陽極定位於兩 個類似構造的電池陰極半體13與14之間。每一陰極半體具有耦合到第一多孔金屬襯 底17的第一玻璃屏障16、耦合到第二多孔金屬襯底19的第二玻璃屏障18、耦合到 第三多孔金屬襯底21的第三玻璃屏障20及鋰空氣陰極22。外圍邊緣密封劑層25包 圍電解質12的外圍邊緣且將兩個半體13與14接合在一起。電池IO還包括耦合到陽 極11的陽極端子及耦合到陰極22的陰極端子28。在下文中更加詳細地論述包含這 些組件的材料。
接下來參照圖3，為製造電池IO，提供陰極材料40的漿。陰極材料40由聚合物 粘結劑、碳及溶劑或懸浮液體的混合物組成。所述聚合物粘結劑可以是聚偏二氟乙烯 (PVDF)，或另一選擇為可以是通常用於電池工業中的許多其它適合的聚合物中的一 者。舉例來說，所述聚合物粘結劑可由在非溶劑液體懸浮液中作為納米顆粒懸浮的 PTFE或等效材料組成。所述碳優選地是乙炔黑碳材料，但可以是其它類型的適合的 碳。陰極集電器可由例如具有小片形狀的延伸物(其稍後將用作陰極端子28)的薄 鋁網等材料製成，首先將所述薄鋁網放在鑄造臺39上。在所述集電器網的頂部上沉 積或鑄造陰極材料40的可選第一塗層且允許其固化。 一旦乾燥，從所述鑄造表面剝 離其中嵌入有所述集電器的陰極材料且將其翻轉並放置在所述鑄造臺上，其中所述集
電器的未經塗敷的側朝上。然後，將陰極材料40的第二塗層施加到所述集電器的暴 露表面上。可通過使用醫生的刀片42來將所述塗層施加到所述集電器。所述陰極材 料的優選厚度為10微米與5毫米之間，然而所述厚度取決於電池的所需特性。
在陰極材料的第二塗層固化之前，在所述陰極材料層或陰極22上沉積第一多孔 金屬襯底或多孔金屬界面層17。第一多孔金屬襯底17優選地是在化學上不反應的金 屬，例如鋁或鎳，其具有12微米與300微米之間的厚度。金屬襯底17具有經測量在 100毫微米與25微米之間的孔。金屬襯底17在粘性陰極材料層上"浮動"使得陰極 材料40可通過毛細管作用吸入到多孔金屬襯底17的孔中。我們相信，僅聚合物或可 能所述聚合物及丙酮或聚合物及懸浮液體被吸入所述孔中，而碳可以或可不具有防止 其被吸入所述孔中的顆粒大小。將經固化的陰極層22與多孔金屬襯底17作為單個層 從鑄造臺39移除。此可簡單地以常規方式從臺39剝離所述層來完成。然後，在多孔金屬襯底17的頂表面上沉積與陰極層22相對的玻璃屏障層(第一 玻璃屏障16)。可製作第一玻璃屏障16以及下文所說明的其它玻璃屏障且其可以是 LiPON (鋰磷氧氮，LixPOyNz)。應了解，可通過沉積此類玻璃層的其它常規已知方法 來產生第一玻璃屏障16,所述方法例如化學蒸汽沉積(CVD)、金屬有機物化學蒸汽沉 積(MOCVD)、 RF濺鍍或其它常規已知技術。
應注意，為進一步增強保護陽極11免受潮溼，所述電池可包括多層多孔金屬襯 底17、 19及21及玻璃屏障層16、 18及20，如其中每一陰極半體13及14包括三個 此類組合層的優選實施例中所示。因此，所述優選實施例顯示上面沉積有第二玻璃屏 障18的第二多孔金屬襯底19及上面沉積有第三玻璃屏障20的第三多孔金屬襯底21， 所述第二及第三玻璃屏障均以類似於第一玻璃屏障的方式沉積。所述多孔襯底與玻璃 屏障的多個分層防止一個層中的針孔44傳播穿過整個保護結構，即在所述工藝中形 成的任何針孔44不可能互相對準而穿過多個層，如圖8中所示。
然後，通過電鍍工藝處理第一玻璃屏障16、第二玻璃屏障18及第三玻璃屏障20 的頂表面以將在所述玻璃屏障中形成的任何針孔44鈍化，如圖5至9中的更加詳細 地顯示。將每一玻璃屏障的頂表面暴露於電鍍溶液46，所述電鍍溶液可以是醚、氯 化鋁(AK^)及小百分比的氫化鋰鋁(LiAlH4)的溶液，同時向相關聯的金屬襯底施加電 流。所述電鍍工藝形成填充所述玻璃屏障中的針孔44的鋁插塞47。鋁插塞47還延 伸到所述金屬襯底的基本孔。因此，鋁插塞47填充所述玻璃屏障中的針孔44。必須 將這些鋁插塞或其至少頂部部分鈍化以防止電流穿過所述玻璃。可通過簡單地在升高 的溫度下將鋁插塞暴露到氧氣氛來將其氧化而使其鈍化。另一選擇為，可通過用摻雜 有矽的四甲基氫氧化銨(TMAH)(其在所述插塞上形成二氧化矽的薄層)對所述插塞 進行處理來使其鈍化。另一選擇為，可在所述插塞到達玻璃屏障的頂表面之前停止所 述插塞的形成，然而由於難以控制所述工藝及所得插塞的形成，因此我們相信所述插 塞的二氧化矽塗層是更可靠的解決方案。
如圖7中所示，將外圍環氧樹脂層49施加到第一玻璃屏障16與第二多孔金屬襯 底19之間的外圍區域，使得所述屏障及所述襯底沿其外圍邊際接合在一起。同樣， 將外圍環氧樹脂層50或其它適合的接合材料施加到第二玻璃屏障18與第三多孔金屬 襯底21之間的外圍區域，使得所述屏障及所述襯底沿其外圍邊際接合在一起。Ff述 接合形成由所述第一、第二及第三金屬襯底n、 19及21及所述第一、第二及第三玻 璃屏障16、 18及20組成的多層結構。環氧樹脂層49及50在相鄰的玻璃屏障之間形 成空間且金屬襯底重疊在那裡。用液體或(另一選擇為)液體/聚合物電解質材料52 填充這些新形成的空間及所述金屬襯底的孔以提供屏障之間的離子導電性。此可通過 將所述電解質材料注入穿過環氧樹脂且然後密封由注入裝置產生的洞來完成。所述電 解質材料可以是液體電解質，例如碳酸丙烯及二亞甲基及六氟化鋰磷。應了解，可將 其它類型的電解質及沉積電解質的方法用作剛剛說明的方法的替代方案。
如圖2中所示，電池10具有夾於兩個類似構造的陰極半體13與14之間的安裝在中間的陽極ll，每一陰極半體包括三個經鈍化的玻璃屏障16、 18及20、三個金屬 襯底17、 19及21及空氣陰極22。在惰性氣體環境中，通過將外圍環氧樹脂層25或 其它適合的密封劑材料施加到第三玻璃屏障的朝內的頂表面的外圍區域或邊際周圍 來在陽極11的任一側上將兩個陰極半體13與14結合在一起。陽極11包括延伸穿過 所述密封劑的陽極端子27。然後，將液體電解質12注入到兩個電池部分13與14之 間的空間內以確保陽極11與陰極22之間的離子導電性。然後，將陰極端子28安裝 到每一陰極22。
所述構造工藝中的最後步驟是將電解質浸入陰極22中。可將所述電池放置在包 含氧的適合環境中。電池的操作使得在放電時，電流在鋰離子從鋰金屬陽極傳導穿過 所述電解質屏障系統並進入其在其中與來自電池環境的氧反應的陰極內時產生。所述 電解質可由溶解於溶劑中的六氟化鋰磷鹽組成，例如採用通常用於電池工業中的碳酸 丙烯(PC)的那些。由於基於碳酸丙烯的溶劑的揮發性性質及六氟化鋰磷鹽在潮溼環境 中的不穩定性，使用此類型的電解質的電池在經密封封裝內的純氧環境下產生最佳性 能。
另一選擇為，可使用使用乙醯胺及三氟甲烷磺醯亞胺鋰的鋰鹽的電池。通常，摩 爾鹽/乙醯胺比率是l比4。鋰鹽及乙醯胺兩者在室溫下均為固態。在將所述兩種固體 混合在一起之後，將其攪拌一整夜且然後將其溫熱在80攝氏度的溫度下四個小時， 從而形成非常清澈的溶液。所述離子液體的鋰離子導電性是4*10_3 S/cm。此類離子
液體電解質具有極低的蒸汽壓且因此在戶外操作時不容易乾燥。因此，此類型的電解 質可用於靠來自周圍空氣的氧運轉且不具有密封的封裝的電池中。
作為剛剛說明的實施例的替代方案，所述陰極材料可由聚合物、碳、丙酮及所述 聚合物的增塑劑(例如，二丁基阿德帕特(dibutyle adepate))的混合物組成。在此 方法中，在己將多孔金屬襯底接合到位之後移除所述增塑劑。可通過在將不會溶解所 述接合聚合物的任一溶劑或其它適合溶劑(例如，甲醇)中衝洗所述陰極結構來從所 述聚合物移除所述增塑劑。在此方法中，所述接合聚合物經配置以在形成聚合物/電 解質凝膠系統時吸收大量的電解質。
在所述電池的替代實施例中，可在所述多孔金屬襯底將擔當玻璃電解質支撐層及 陰極集電器的雙重功能的情況下去除金屬網陰極集電器。在此實施例中，陰極端子將
被附裝到所述金屬襯底。
額外替代實施例將用多孔陶瓷或多孔聚合物材料替代多孔金屬襯底17。適合的 多孔陶瓷金屬是由Watman (沃特曼)公司製造的Anodisc無機膜。此材料是具有高 孔隙率(其中其孔延伸穿過所述膜)的陽極化鋁。所述膜厚度為約60微米，其中孔 直徑為約200毫微米，但其它孔直徑也可接受。另一方面，可使用通常用於製造電池 的多孔親水特富龍隔離材料。在這些情況下，如果實施經填塞的針孔特徵，那麼可在 玻璃電解質層下方沉積薄金屬層。此種子層將足夠厚以提供用於鍍敷工藝的電連續 性，但也足夠薄從而不會關閉或覆蓋襯底的孔。額外替代實施例將僅使用單個屏障層，所述屏障層是其襯底通過陰極聚合物接合 材料直接接合到陰極的層。在此情況下，可實施所述針孔填塞選項，或另一選擇為可 不實施所述針孔填塞選項。
應了解，雖然在優選實施例中顯示三個金屬及玻璃層，但本發明可包括單層金屬 及玻璃。
應了解，術語玻璃屏障既定包括適合的陶瓷屏障。應了解，如本文中所使用，術 語空氣陰極等效於術語空氣電極。
因此，可看出，現在提供在簡單的工藝中製造的鋰空氣電池。當然，應了解，除 在本文中具體敘述的那些修改以外，還可在不背離以上權利要求書中所論述的本發明 的精神及範圍的情況下對本文中所說明的具體優選實施例做出許多修改。
權利要求
1、一種空氣電池，其包含陽極；液體電解質，其鄰近所述陽極定位；第一玻璃電解質層，其鄰近所述液體電解質定位；第一多孔支撐襯底，其接合到所述第一玻璃電解質層；及空氣陰極，其鄰近所述第一多孔支撐襯底定位並與所述第一玻璃電解質層相對。
2、 如權利要求1所述的空氣電池，其中所述第一多孔支撐襯底選自由多孔金屬 襯底、多孔陶瓷襯底及多孔聚合物襯底組成的群組。
3、 如權利要求l所述的空氣電池，其中所述空氣陰極是由聚合物粘結劑、碳及 溶劑或懸浮液體的混合物製成的陰極材料。
4、 如權利要求1所述的空氣電池，其進一步包含第二玻璃電解質層及接合到所 述第二玻璃電解質層的第二多孔支撐襯底。
5、 如權利要求4所述的空氣電池，其進一步包含第三玻璃電解質層及接合到所 述第三玻璃電解質層的第三多孔支撐襯底。
6、 如權利要求l所述的空氣電池，其中所述第一多孔支撐襯底的孔被鈍化。
7、 如權利要求6所述的空氣電池，其中所述孔由具有電絕緣頂層的金屬插塞鈍化。
8、 如權利要求1所述的空氣電池，其中所述陽極為鋰陽極。
9、 一種製造空氣電池的方法，其包含以下步驟(a) 提供粘性空氣陰極層；(b) 將第一多孔支撐襯底放置在所述粘性空氣陰極層上以便允許所述粘性空氣 陰極層的一部分被吸入所述第一多孔支撐襯底中；(c) 在所述第一多孔支撐襯底上沉積第一玻璃屏障層；(d) 鄰近所述玻璃屏障層定位陽極；及(e) 將電解質定位於所述陽極與所述玻璃屏障層之間。
10、 如權利要求9所述的製造空氣電池的方法，其中所述第一多孔支撐襯底選自 由多孔金屬襯底'、多孔陶瓷襯底及多孔聚合物襯底組成的群組。
11、 如權利要求9所述的製造空氣電池的方法，其中所述空氣陰極是由聚合物粘 結劑、碳及溶劑或懸浮液體的混合物製成的陰極材料。
12、 如權利要求9所述的製造空氣電池的方法，其進一步包含將第二玻璃電解質 層及接合到所述第二玻璃電解質層的第二多孔支撐襯底安裝到所述第一玻璃電解質 層的步驟。
13、 如權利要求12所述的製造空氣電池的方法，其進一步包含將第三玻璃電解質層及接合到所述第三玻璃電解質層的第三多孔支撐襯底安裝到所述第二玻璃電解 質層的步驟。
14、 如權利要求9所述的製造空氣電池的方法，其進一步包含將所述第一多孔支撐襯底的孔鈍化的步驟。
15、 如權利要求14所述的製造空氣電池的方法，其中用具有電絕緣頂層的金屬 插塞將所述孔鈍化的步驟。
16、 如權利要求9所述的製造空氣電池的方法，其中所述陽極為鋰陽極。
全文摘要
本發明揭示一種具有嵌入於液體電解質(12)中的鋰箔陽極(11)的電池(10)，所述鋰箔陽極(11)定位於兩個類似構造的電池陰極半體(13)與(14)之間。每一陰極半體具有耦合到第一多孔金屬襯底(17)的第一玻璃屏障(16)、耦合到第二多孔金屬襯底(19)的第二玻璃屏障(18)、耦合到第三多孔金屬襯底(21)的第三玻璃屏障(20)及鋰空氣陰極(22)。外圍邊緣密封劑層(25)包圍所述電解質的外圍邊緣且將所述兩個半體接合在一起。所述電池還包括耦合到所述陽極的陽極端子(27)及耦合到所述陰極的陰極端子(28)。
文檔編號H01M12/06GK101421865SQ200780013582
公開日2009年4月29日 申請日期2007年3月9日 優先權日2006年3月10日
發明者朗尼·G·詹森 申請人:埃克塞勒特龍固體公司