[發明專利]一種互不相溶“水/聚合物”雙相電解質及電池

無效

• 申請號: 201210164746.7
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN102709624A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 張存中;吳伯榮;吳鋒;陳曉慧;穆道斌
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M12/08
• 分類號: H01M12/08;H01M10/36
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;張利萍

技術領域

本發明涉及一種互不相溶“水/聚合物”雙相電解質及電池，具體地說，涉及一種由水溶液電解質和疏水性有機聚合物電解質形成的互不相溶的雙相電解質，以及含有所述雙相電解質的電池，所述電池可為鋰-空氣電池和鋰-金屬電池，其中，所述鋰-金屬電池可為鋰-銅電池和鋰-鎳電池，屬于化學電源技術領域。?

背景技術

鋰離子電池與其他電池相比具有許多優點，因此目前成為研究熱點。然而，鋰離子電池（有機電解質體系的化學電源）所采用正極活性材料的比能量比較低，只有150～220mAhg^-1，而負極活性材料比能量已經非常高，例如，硅基鋰合金的比能量可達4400mAhg^-1，所以，鋰離子電池的比能量主要受到其正極活性材料比能量的限制。?

鋰-空氣電池的出現有望突破鋰離子電池由于其正極活性材料比能量限制造成的比能量性能缺陷。鋰-空氣電池是一種燃料電池，其負極活性材料為比能量高的金屬鋰，金屬鋰的比能量可達3860mAhg^-1，正極以空氣或氧氣為活性物質，空氣正極的容量不受限制，所以，鋰-空氣電池的理論比能量可高達11140Wh/kg。除了空氣電極之外，水電解質中的金屬電極體系的比能量也很高，接近300mAhg^-1，幾乎是鋰離子電池正極材料比能量的1.5～2倍,所以，將鋰與水電解質中高比能量的金屬電極體系組成鋰-金屬電池也是有意義的發展方向。?

由于金屬鋰是高活潑性金屬，只能在有機電解液中工作，而不能在水電解液中工作。但是在有機電解液中，空氣電極在放電過程中氧氣被還原并與電解液中的鋰離子結合成為過氧化鋰（Li₂O₂）和氧化鋰（Li₂O）沉淀，堵塞空氣電極催化劑的微孔，導致催化劑失去催化性能。另外，水電解質中的金屬電極體系也無法在有機電解質中工作。所以，為了兼顧金屬鋰負極和空氣電極、水電?解質金屬電極體系的工作環境要求，提出了雙相電解質鋰-空氣電池和雙相電解質鋰-金屬電池。目前使用雙相電解質的鋰-空氣電池和鋰-金屬電池的研究熱點之一是電池結構設計、隔膜制備技術、功能電解液配制技術以及電池的封裝技術。這些研究的目的在于得到穩定的雙相電解質鋰-空氣電池和鋰-金屬電池，其中，高電導率、高化學穩定性、同時可以阻隔氧氣、阻隔水的隔膜或固態電解質是其中的關鍵。Yamamoto等人主要針對固態電解質膜開展研究，作者設計的鋰-空氣電池結構為：在金屬鋰的負極使用有機PEO（聚氧化乙烯）聚合物電解液，正極的空氣電極使用水性電解液，所述雙相電解質之間用只能通過鋰離子的磷酸鈦鋰固體電解質隔開，整個電池能保持持續放電（T.Zhang,N.Imanishi,S.Hasegawa,A.Hirano,J.Xie,Y.Takeda,O.Yamamoto,N.Sammes.Li/Polymer?Electrolyte/Water?Stable?Lithium-Conducting?Glass?Ceramics?Composite?for?Lithium-Air?Secondary?Batteries?with?an?Aqueous?Electrolyte[J].Journal?of?the?Electrochemical?Society，2008,155(12):A965-969.）。Kumar等人比較了玻璃陶瓷類Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃（x=0.5）固態電解質膜以及PEO與Li₂O和/或BN（氮化硼）復合的固態電解質膜的性能，研究表明PEO與Li₂O復合的固態電解質膜能降低界面阻抗，提高電導率，有效的保護好負極，所涉及鋰-空氣電池的放電比能量有望超過1000Whkg^-1（J.Kumar,B.Kumar.Development?of?membranes?and?a?study?of?their?interfaces?for?rechargeable?lithium-air?battery[J].Journal?of?Power?Sources,2009,194(2):1113-1119.）。目前的LISICON（鋰離子導電陶瓷）膜，解決了鋰-空氣電池中鋰與氧氣直接接觸的問題，保證了負極活性材料金屬鋰的穩定性，也為負極提供了合適的工作環境，這種方法已于2007被韓國Polyplus有限公司申請專利（Ionically?conductive?composites?for?protection?of?active?metal?anodes,United?States?Patent?7282302）。Imanishi等人將陶瓷電解質膜（LTAP）組裝在鋰-空氣電池中，結構為Li|聚合物電解質|LTAP|1?M?LiCl|Pt，然而這個結構的鋰-空氣電池的穩定性較好，但內阻較大（T.Zhang,N.Imanishi,S.Hasegawa,A.Hirano,J.Xie,Y.Takeda,O.Yamamoto,N.Sammes.Water-Stable?Lithium?Anode?with?the?Three-Layer?Construction?for?Aqueous?Lithium-Air?Secondary?Batteries[J].Electrochemical?and?Solid-State?Letters,2009,12(7):A132-135.）。?