[發明專利]高比能可充式全固態鋰空氣電池

無效

• 申請號: 200810037116.7
• 申請日: 2008-05-08
• 公開（公告）號: CN101267057A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 余愛水;王衛江;張曉蓉;張燈
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鋰空氣電池，更具體地說，涉及一種高比能可充式鋰空氣電池。

背景技術

隨著經濟的不斷發展，必然引起石油資源的枯竭和環境污染、地球溫暖化的加劇。人類必須把握經濟增長(Economic?Growth)，環境保護(Environmental?Protection)和能源供給(Energy?Security)的″三E″之間的平衡關系。新能源，省能源技術，及環境技術的綜合高效率的開發和利用已成為十分必要課題，研究與開發高能量密度的電源體系及材料勢在必行。

近十幾年來，以金屬鋰為基礎的電池主導了高性能電池的發展，這是因為在所有的電池負極材料中，金屬鋰具有最低的密度，最高的電壓，最好的電子電導及最高的電化學當量。全球范圍內已積極開展了提高鋰電池的能量密度和電極材料的穩定性的研究。LiCoO₂和碳材料作為鋰離子的正負極材料已成功商業化，LiFePO₄是正極材料的后起之秀。由于價格、安全性、比能量等方面的影響因素，尋找比能量更高、更便宜的正極材料一直是鋰電池發展的方向。但是，鋰電池中正極材料局限了鋰電池的貯能性能。比如，金屬鋰的電化學容量為3860mAh/g，但大部分正極材料的電化學容量只有200mAh/g，另外，鋰離子在金屬正極材料的擴散系數較低，也限制了鋰電池的能量輸出。

在另一方面，金屬/氧(空氣)電池提供了很好的電化學性能。因為在這些電池中，作為正極的氧氣(空氣)并不貯存在電池中。在空氣中的氧能夠通過催化劑變成氧負離子或過氧負離子然后再通過電化學反應生成金屬氧化物或過氧化物。有別于常規的鋁空氣電池，鋅空氣電池的水系電解液電池體系，鋰空氣電池是一種全新的金屬空氣電池，使用有機系列電解液或全固態電解質。鋰空氣電池的工作原理是基于以下兩個反應：4Li+O₂→2Li₂O；Li+O₂→Li₂O₂。按第一個反應計算，電池開路電壓為2.91V，理論能量密度為5200Wh/kg。在實際應用中，氧氣由外界環境提供，因此排除氧氣后的能量密度達到驚人的11140Wh/kg，高出現有電池體系1-2個數量級。

但是，如果以空氣作為正極，金屬鋰能與空氣中存在的水分迅速反應，導致金屬鋰被腐蝕。這樣，使用中，電池安全性能是一大隱患。然而，巨大的能量密度決定了鋰空氣電池將會在航空和移動能源領域中有廣泛應用。如果能成功解決安全和腐蝕問題及其相關材料設計和制備問題，鋰空氣電池將會是能源史上的一次重大革命。

金屬/氧(空氣)電池的研究剛剛起步，有關報道很少。全球研究鋰空氣電池的科學小組主要有三個，分別是鋰空氣電池的創始人K.M.Abraham，美國軍事實驗室的J.Read以及英國的P.G.Bruce。他們的研究主要集中在電池的工作機理，電解液對電池性能的影響。

K.M.Abraham首次報導鋰空氣電池的文章介紹了以凝膠聚合物(PAN-PVDF)為電解質的鋰空氣電池，該電池開路電壓接近3V，工作電壓在2.0-2.8V之間，以酞菁鈷作為空氣電極的催化劑，具有良好的庫侖效率并能循環三圈。作者認為放電機理是鋰離子和氧氣在碳基空氣電極上生成過氧化鋰。

J.Read在鋰空氣電池放電機理，電極材料以及電解液組成做了大量工作。鋰空氣電池與水系金屬空氣電池的最大區別在于其放電產物是沉積在陰極而不是陽極。由于過氧化鋰和氧化鋰均不溶解在有機電解液中，因此放電產物只能在有O2^2-和O^2-的空氣電極上沉積。在陽極過量的情況下，放電的終止是由于放電產物堵塞空氣電極孔道所致。J.Read詳細研究了空氣電極材料，電解液組成，氧分壓，氧溶解能力對放電容量，倍率性能以及循環性的影響，認為電解液組成對電池性能以及放電產物沉積行為有極大影響，并提出以醚類溶劑作為鋰空氣電池的電解液。

東芝公司的Kuboki等人在最近的報告中報道用防水的鋰離子液體能防止金屬鋰與水汽接觸時水解，這樣可以延長鋰空氣電池的壽命。與通常的液體鋰電解質不同，離子液體電解質的蒸汽壓可以忽略不計，所以可以在溫和的敞開環境中使用。