[發明專利]一種鋰-空氣電池或鋰-氧氣電池用正極材料

有效

• 申請號: 201110314783.7
• 申請日: 2011-10-17
• 公開（公告）號: CN103050700A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 張華民;張益寧;李婧;王美日;王倩
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種鋰-空氣電池或鋰-氧氣電池關鍵材料領域，具體涉及一種鋰-空氣電池或鋰-氧氣電池用正極材料。

背景技術

鋰-空氣電池是一種以金屬鋰為負極，空氣電極為正極的可充式二次電池，作為負極材料的金屬鋰具有最低的理論電壓，其理論比容量高達3,862mAh/g，而作為正極活性物質的氧氣可直接從空氣中獲得，因此，鋰-空氣電池具有極高的比容量及比能量。以鋰為標準，其理論比能量密度可達11,140Wh/Kg，以全電池為標準，其實際比能量密度約為鋰離子電池的10倍，在民用及軍用領域極具應用前景。未來商業化的純電動車要求動力電池的比能量在500Wh/kg以上，科學家把鋰空氣電池作為未來電動汽車的動力電池之一。

圖1為鋰-空氣電池放電過程中正極及所發生電化學反應的示意圖。如圖所示，由負極側遷移而至的鋰離子在碳材料表面與擴散而至的氧氣復合生成產物Li₂O₂或者Li₂O。固體Li₂O₂或者Li₂O不溶于電解質溶液，不能脫離碳材料表面，從而在此沉積直至堵塞電極孔道，導致放電反應終止。目前，鋰-空氣電池正極反應物傳質情況普遍采用固-液兩相反應界面模型解釋，即固體-碳材料和液體-電解質溶液之間形成的界面，其中碳材料負責傳導電子，電解液負責傳導Li⁺，外界氧氣經過在電解質溶液中的溶解擴散，到達反應界面，在此反應三要素完成放電反應Li⁺+O₂-e→Li₂O₂或者Li⁺+O₂-e→Li₂O。

為了獲得較大的固液兩相反應界面及較通暢的Li⁺傳導通道，要求電解質溶液對電極的浸潤程度較高，即構成電極的碳材料具有較好的親液性。但另一方面，由于氧氣在電解質溶液中的溶解擴散能力較差，如果電極完全被電解液浸潤，則氧氣在電極內的傳質阻力較大，尤其是對于電極內側(即遠離空氣側)，因此，要求電極內存在較通暢的氣體傳輸通道，使氧氣在整個電極內充分擴散，縮短其向碳材料表面(即固液兩相反應界面)擴散的路程，減小其傳質阻力，這就要求構成電極的碳材料具有較好的憎液性。然而，一種碳材料不可能同時具備上述兩種特性，即良好的電解液浸潤性和較好的氣體傳質不可兼得。

發明內容

本發明針對上述問題，提供一種新型鋰-空氣或者鋰-氧氣電池用正極材料，目的是改善電解液對電極的浸潤及氧氣在電極內的傳質狀況。

作為電極主體材料的碳材料，其對電解液或者具有較好的浸潤性，或者具有較強的憎液性，或者介于二者之間。為了保證電解液對電極形成良好的浸潤以獲得較大的固液兩相反應界面及較通暢的Li⁺傳導通道，同時保證電極內存在較通暢的氣體傳輸通道，針對電極主體碳材料的不同物性，本發明分別向電極內混入親液性較強的碳材料，或者憎液性較強的碳材料，或者兩種碳材料皆混入。混入的碳材料，既可以作為電極反應進行的場所，同時根據其物性的不同，可分別作為電解液及氣體的傳輸通道。通過上述方法，增大了反應界面面積，強化了電極反應物的傳輸，從而有利于提高電池的充放電容量。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

本發明所述的正極材料，包含兩種或三種碳材料；在電池運行條件下：

碳材料A為對電解質溶液浸潤性較差的、與電解質溶液的接觸角在105-170度之間；

碳材料B為對電解質溶液的浸潤性適中的、與電解質溶液的接觸角在70-110度之間；

碳材料C為對電解質溶液具有較好的浸潤性的、與電解質溶液的接觸角在10-70度之間；

當包含兩種碳材料時，正極材料為A+B，其中A∶B質量比為0.05～10∶1；或C+B，其中C∶B質量比為0.05～10∶1；或A+C，其中A∶C質量比為0.05～20∶1；

當包含三種碳材料時，正極材料為A+B+C，其中B的質量分數為30-90％，A∶C質量比為0.05～20∶1。