金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]本公開(kāi)內(nèi)容涉及蓄電池，特別是金屬-氣體基蓄電池，其中由燃機(jī)供應(yīng)反應(yīng)氣體。
[0002]鋰(Li)-空氣蓄電池是金屬-空氣蓄電池化學(xué)的一種形式，其采用鋰在陽(yáng)極的氧化和氧在陰極的還原來(lái)產(chǎn)生電流。與其它類型的鋰電池相比，L1-空氣鋰電池具有高的能量密度。能量密度是給定體積的鋰電池能夠存儲(chǔ)的能量的量的度量，L1-空氣蓄電池的能量密度比其它類型的電池更接近傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。L1-空氣蓄電池通過(guò)采用來(lái)自空氣的氧替代存儲(chǔ)在內(nèi)部的氧化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)高的能量密度。
[0003]L1-空氣蓄電池的相對(duì)高的能量密度使得L1-空氣蓄電池成為用于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用的有吸引力的候選者。汽油的能量密度為約13kWh/kg，當(dāng)計(jì)入損失時(shí)，這對(duì)應(yīng)于提供給車輛車輪的1.7kffh/kg的能量。排除氧氣的質(zhì)量，鋰-空氣蓄電池的理論能量密度為12kWh/kg，當(dāng)計(jì)入過(guò)電位、其它電池組件、蓄電池組輔助設(shè)備及比燃機(jī)更高的電機(jī)效率時(shí)，其對(duì)應(yīng)在車輛車輪處的1.7kffh/kg的理論實(shí)際能量密度。因此，L1-空氣蓄電池提供了與氣體驅(qū)動(dòng)燃機(jī)類似的驅(qū)動(dòng)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)的能力。
[0004]鋰-空氣蓄電池的運(yùn)作通常由鋰在陽(yáng)極處被氧化形成鋰離子和電子來(lái)表征。電子通過(guò)外部電路電力做功，且鋰離子迀移穿過(guò)電解質(zhì)以在陰極還原氧。當(dāng)外加電位大于用于放電反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位時(shí)，鋰金屬在陽(yáng)極上析出，在陰極處產(chǎn)生氧氣02。由電化學(xué)電位在陽(yáng)極處產(chǎn)生的反應(yīng)促使鋰金屬依照氧化來(lái)釋放出電子。半反應(yīng)為L(zhǎng)i —— Li++e。圖1A顯示了現(xiàn)有技術(shù)的L1-空氣蓄電池的充電循環(huán)，其中電子向陽(yáng)極迀移，且氧在陰極處被釋放。圖1B顯示了現(xiàn)有技術(shù)的L1-空氣蓄電池的放電循環(huán)，其中電子離開(kāi)陽(yáng)極，且氧在陰極處被吸附。與其它金屬-空氣蓄電池材料的比容量(鋅為820mAh/g，鋁為2980mAh/g)相比，鋰具有高的比容量(3862mAh/g)，使得鋰成為用作陽(yáng)極材料很好的選擇。在陰極處，通過(guò)鋰離子與氧的復(fù)合(recombinat1n)發(fā)生還原。目前，介孔碳與金屬催化劑一起已被用作陰極材料。被納入碳電極的金屬催化劑提高了氧還原動(dòng)力學(xué)，且提高了陰極的比容量。目前，選擇錳、鈷、釕、鉑、銀或鈷與錳的混合物作為催化劑的金屬元素，且在陰極中使用它們的氧化物、硫化物及環(huán)狀化合物(如酞菁)。
[0005]L1-空氣的電池性能通常受限于在陰極的反應(yīng)效率，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電池電壓降發(fā)生在陰極。目前，在L1-空氣蓄電池中采用了由非質(zhì)子電解質(zhì)和水性電解質(zhì)選擇所描述的多重蓄電池化學(xué)，因此，在陰極處的確切的電化學(xué)反應(yīng)在各L1-空氣蓄電池之間改變。非質(zhì)子設(shè)計(jì)可包括鋰金屬陽(yáng)極、液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)和多孔碳陰極，由此，主反應(yīng)化學(xué)是不溶性的過(guò)氧化鋰(Li2O2)或氧化鋰(Li2O)的析出與分解。水性L1-空氣蓄電池可包括鋰金屬陽(yáng)極、水性電解質(zhì)和多孔碳陰極。水性電解質(zhì)僅是溶解在水中的鋰鹽的組合。這是與有機(jī)電解質(zhì)體系不同的反應(yīng)化學(xué)，即是通過(guò)可溶性的氫氧化鋰(L1H)形式的析出與分解。
[0006]金屬-空氣蓄電池(如L1-空氣蓄電池)是一種有希望的后鋰離子蓄電池技術(shù)，且蓄電池的L1-O/變體是高能量密度型可再充電蓄電池的有希望的候選者，但采用環(huán)境空氣作為反應(yīng)氣體取代純氧(O2)氣體導(dǎo)致蓄電池具有差的再充電特性。這是因?yàn)?，H2O和CO2導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物(例如Li202、Li2(^PLi0H)的失活，即Li2CO3的形成，其對(duì)于再充電而言為非活性材料。包括O2氣體的環(huán)境空氣是最具吸引力的活性材料，但是，環(huán)境空氣雜質(zhì)、H2O和CO2降低了 L1-O 2蓄電池的巨大優(yōu)勢(shì)。一種克服來(lái)自環(huán)境空氣的雜質(zhì)的方法是采用空氣管理形式從環(huán)境氣體中純化H2O和CO2以實(shí)現(xiàn)氣體純化。即使采用最先進(jìn)的技術(shù)(例如氣體分離膜)，環(huán)境空氣中的雜質(zhì)的完全氣體管理也是非常困難的。即使采用吸附劑(例如沸石)的氣體吸附技術(shù)會(huì)從環(huán)境空氣中除去大部分H2O和CO2，但為了徹底除去雜質(zhì)，這類氣體吸附系統(tǒng)非常大。因此，徹底的環(huán)境氣體純化對(duì)于大多數(shù)蓄電池應(yīng)用而言通常是不現(xiàn)實(shí)的。
[0007]Albertus等在美國(guó)專利公開(kāi)2012/0094193中公開(kāi)了一種高比能的1^_02/0)2蓄電池，其中包括CO2的環(huán)境空氣被引入L1-空氣蓄電池。特別地，二氧化碳(CO2)與氧的化學(xué)計(jì)量比摩爾進(jìn)料比2:1是最佳的，以獲得作為一次電池的高能量密度。然而，在當(dāng)前的生存環(huán)境中，濃縮CO2氣體最高達(dá)2的摩爾進(jìn)料比是非常困難的，因?yàn)樵诃h(huán)境空氣中，CO2的量為約0.03%，且維持恒定CO2濃度的管理系統(tǒng)是難以實(shí)施的，因?yàn)镃O 2濃度在環(huán)境空氣中波動(dòng)。因此，對(duì)于車輛用途，所提出的蓄電池是不實(shí)際的。
[0008]因此，存在對(duì)于新的金屬-氣體蓄電池的需求，該新的金屬-氣體蓄電池不需要環(huán)境空氣的完全純化，且可適于運(yùn)輸和車輛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本文公開(kāi)了一種金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)，其包括與至少一種廢氣流連通的至少一個(gè)金屬-氣體蓄電池，使得以允許被引入的氣體在催化還原反應(yīng)期間被消耗從而產(chǎn)生能量的方式，廢氣流被引入到金屬-氣體蓄電池中。該廢氣流可包含在燃機(jī)中產(chǎn)生的至少一種廢氣。在該金屬-氣體蓄電池中產(chǎn)生的能量可以為電能形式。
[0010]本文所公開(kāi)的金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)可以與各種機(jī)構(gòu)和動(dòng)力源結(jié)合使用。本文還公開(kāi)了一種包括金屬-氣體蓄電池的燃燒系統(tǒng)，該金屬-氣體蓄電池被配置為向至少一個(gè)裝置提供能量，特別是電能。本文還公開(kāi)了一種交通工具(如機(jī)動(dòng)車)，其包括內(nèi)燃機(jī)、至少一個(gè)排放控制裝置、至少一個(gè)排氣管，該排氣管將廢氣傳送到至少一個(gè)金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)，該金屬-空氣蓄電池可運(yùn)行地與機(jī)動(dòng)車連接。
【附圖說(shuō)明】
[0011]特別地指出了被認(rèn)為是本發(fā)明的主題并在說(shuō)明書(shū)的結(jié)論處在權(quán)利要求書(shū)中清楚地要求保護(hù)。根據(jù)以下詳細(xì)的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述及其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，其中:
[0012]圖1A和IB顯示了典型的L1-空氣蓄電池的充電和放電循環(huán)；
[0013]圖2是本發(fā)明的金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)的示意圖，其利用來(lái)自燃機(jī)的燃燒排氣作為該金屬-氣體蓄電池的氣體輸入；
[0014]圖3是另一本發(fā)明的金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)的示意圖，其利用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排氣作為該蓄電池的氣體輸入；
[0015]圖4是另一本發(fā)明的金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)的示意圖，其在交通工具的情況下利用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)催化處理的燃燒排氣作為蓄電池的氣體輸入；
[0016]圖5是L1-氣體蓄電池的實(shí)施方案的電壓-容量的曲線圖，該L1-氣體蓄電池具有l(wèi)mol/L的LiPF6、碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(EC-DEC)的電解質(zhì)，用于多種輸入的反應(yīng)氣體，其中最內(nèi)側(cè)的曲線來(lái)源是純氬輸入氣體，隨后依次是1/84/15體積百分比的02/N2/C02、20/80體積百分比的02/隊(duì)及1/80/14/2/2/1體積百分比的O 2/N2/C02/C0/N0/HC ;
[0017]圖6是L1-氣體蓄電池的實(shí)施方案的電壓-容量的曲線圖，該L1-氣體蓄電池具有在離子液體N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)銨-雙(三氟甲磺?；?胺(DEMETFSI)中的0.32mol/kg的雙(三氟甲磺酰基)胺鋰(LiTFSI)的電解質(zhì)，其用于圖5所示的相同的氣體輸入。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本公開(kāi)內(nèi)容涉及一種裝置或系統(tǒng)，其利用來(lái)自燃機(jī)(如內(nèi)燃機(jī))的“廢氣”作為用于金屬-氣體蓄電池的反應(yīng)氣體或多種反應(yīng)氣體。合適的內(nèi)燃機(jī)的非限制性實(shí)例包括其中在工作流體(如空氣)中燃燒染料的那些。合適的燃料包括但不限于石油制品，例如汽油、柴油等。本文中所采用的術(shù)語(yǔ)“廢氣”是指在燃燒活動(dòng)之后從相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)中排出的材料。作為非限制性實(shí)例，在四沖程內(nèi)燃機(jī)中，廢氣是指在循環(huán)的排氣沖程階段中，當(dāng)相關(guān)的活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)氣缸被壓出的材料。所產(chǎn)生的廢氣流可包括但不限于下述的一種或多種氣體:氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、各種短鏈烴(HC)、單氮氧化物(NOx)、燃燒的硫氧化物產(chǎn)物(SOx)。在多個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)計(jì)的是，被供給并被利用的廢氣會(huì)是氧與一種或多種目標(biāo)氣體(例如C02、CO、NOx, SOJP HC)的組合。本文中，烴(HC)是指甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。
[0019]作為廣義的理解，本公開(kāi)內(nèi)容涉及金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)，其包括與至少一種廢氣流流體連通的至少一個(gè)金屬-氣體蓄電池。該金屬-氣體蓄電池可包括至少一種陰極。在本公開(kāi)內(nèi)容范圍內(nèi)的是，本文所公開(kāi)的金屬-氣體蓄電池系統(tǒng)包括任意合適的排布或配置的多個(gè)蓄電池單元。所采用的陰極可以由促進(jìn)與一種或多種目標(biāo)