[發明專利]一種水體系鋰空氣電池

有效

• 申請號: 201110369999.3
• 申請日: 2011-11-18
• 公開（公告）號: CN103123961A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: 吳生先;李峰;張會平;喬貞美;李志華;任曉玲;余修濤
• 申請（專利權）人: 北汽福田汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M12/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 賈玉

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，更具體地，本發明涉及一種水體系鋰空氣電池。

背景技術

隨著經濟的不斷發展，以石油為代表的化石燃料日益枯竭，化學電源在人類社會生活中扮演著越來越重要的角色，特別是對高能量密度的化學電池需求日益強烈。一方面，電動汽車對動力電池的能量密度要求很高，目前包括鋰離子電池、鎳氫電池等在內的二次電池均不能完全滿足電動汽車的續駛里程要求。另一方面，移動消費類電子產品，如筆記本電腦、3G手機和數碼相機等對其所用的化學電源要求越來越高，現有的化學電池體系儲能密度不足，難以滿足發展需要。

鋰空氣電池的出現有望突破化學電源的技術瓶頸，滿足未來電動汽車和電子產品的長時間用電需求。作為一種全新的金屬空氣電池，其理論能量密度為5200Wh/kg，在實際應用中，氧氣由外界環境提供，因此，去掉氧氣的質量后，鋰空氣電池的能量密度達到11140Wh/kg，高出現有的電池體系1-2個數量級。巨大的能量密度決定了其在高能量密度領域的應用前景，目前作為超越現階段被廣泛應用的鋰離子電池的高容量二次電池而備受矚目。

鋰空氣電池的研究剛剛起步，有關報道很少。K.M.Abraham于1996年首次報導了鋰空氣電池，介紹了以凝膠聚合物為電解質的鋰空氣電池。隨后J.Read在鋰空氣電池放電機理、電極材料、電解液組成、氧分壓、氧溶解能力等方面做了大量的工作。P.GBruce在鋰空氣電池充電機理研究上做出了重大貢獻，該研究表明當放電產物為過氧化鋰時，電池具有可充放性。2009年日本產業技術綜合研究所報道了他們研究的新型結構鋰空氣電池，在負極使用有機電解液，在正極使用水性電解液，在兩種電解液之間設置只有鋰離子穿過的隔膜，在空氣中以0.1A/g的放電率放電時，可連續放電20天，放電容量約為50Ah/g。

目前鋰空氣電池的技術難度較大，其應用仍面臨著巨大的挑戰。其中在電解液方面主要有水體系和非水體系兩種體系。非水體系電解液的鋰空氣電池結構較單一，其主要問題是放電產物Li₂O₂的析出導致空氣回路的堵塞，放電無法繼續進行，直接關系到電池的放電容量。同時Li₂O₂的析出導致充電時過電壓較大，這不僅關系到能量的轉換效率，還會引起載體炭的氧化。而水體系的鋰空氣電池放電產物為LiOH，具有溶于水的特性，不會在空氣電極處堆積，有利于放電的順利進行，但是金屬鋰與水會發生劇烈的反應，從而影響了水體系鋰空氣電池的使用壽命。

發明內容

本發明旨在至少解決上述技術問題之一。為此，本發明的目的在于提出一種水體系鋰空氣電池，該水體系鋰空氣電池至少具有下列優點之一：安全性高、化學穩定性好、機械性能和電化學性能好。

根據本發明實施例的水體系鋰空氣電池，包括：空氣正極層，所述空氣正極層包括空氣擴散層和空氣電極層，所述空氣擴散層位于空氣正極層外側；復合負極層，所述復合負極層包括保護層和鋰電極層，且所述保護層與所述空氣電極層相對設置；和水系電解質層，所述水系電解質層為夾在所述空氣正極層的空氣電極層和所述復合負極層的疏水保護層之間的水溶液。

根據本發明實施例的水體系鋰空氣電池，由于所述鋰電極層表面設有一層保護層，保護層能阻止溶液中的水和CO₂進入到鋰電極，只有鋰離子能順利通過以確保其導電性，該保護膜具有良好的化學穩定性和機械性能，使金屬鋰得到了有效保護。

另外，根據本發明上述實施例的一種水體系鋰空氣電池，還可以具有如下附加的技術特征：

根據本發明的一個實施例，所述保護層包括疏水層與固體電解質層，其中所述固體電解質層位于所述鋰電極層與所述疏水層之間。鋰電極根據本發明的一個實施例，所述固體電解質層是由通式Li_aPO_bN_cT_d所表示的摻雜過渡金屬元素的氮化磷酸鋰構成，其中，T表示選自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt及Au的至少1種過渡金屬元素，2.6≤a≤3.0，3.0≤b≤4.0，0.1≤c≤0.6，0.01≤d≤0.50。