[發明專利]一種不對稱的鋰氧電池

有效

• 申請號: 201210528057.X
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103035979A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 張治安;賴延清;彭彬;李劼;盧海;賈明
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M12/08
• 分類號: H01M12/08;H01M4/48;H01M4/62
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明涉及一種不對稱的鋰氧電池，屬于新能源領域。

背景技術

隨著人類社會的發展，能源短缺、環境污染等問題的日益突出，人們對化學電源的認識和要求也越來越高，促使人們不斷探索新的化學電源為主的能量儲存系統。近幾十年來，以金屬鋰為基礎的電池引領了高性能化學電源的發展方向。隨著鋰離子電池的成功商業化，世界各國都在加緊開展車用鋰離子動力電池的研究。但由于能量密度、安全性、價格等因素，常規鋰離子電池作為動力源無法滿足電動汽車的要求。

鋰氧電池是一種以鋰金屬為負極，氧氣作為正極活性物質的電池。放電過程：負極中的鋰釋放電子后變為鋰離子，鋰離子穿過電解質，在正極與氧氣以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰或者過氧化鋰，并留在正極。充電過程：通過外電路導線提供電子，鋰離子由正極穿過電解質到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬鋰，氧離子反應生成氧，產生的電子供應給導線。鋰氧電池中氧化1千克金屬鋰可放出11680Wh的能量，是鋅空氣電池的八倍，媲美于石油的13000Wh/Kg，而正極反應物氧氣又是從環境中獲取，無需儲存。因此，鋰氧電池以其高的比容量和比能量、對環境友好、易小型化和輕量化等特性而成為目前備受關注的能量轉換體系，也被認為是下一代動力汽車的首選動力源。

盡管如此，鋰氧電池仍然存在固有的缺點。在充放電過程中，負極金屬鋰會發生枝晶的生長，生長到一定程度就會刺穿電池隔膜，發生短路，同時金屬鋰會與電解液發生反應，造成電解液的分解。在正極方面，放電產物不溶于有機電解液，易在正極表面無序堆積，堵塞氧氣擴散通道，使得反應終止。

為了解決鋰氧電池金屬鋰負極存在的問題，N.Imanishi等(電源技術“Journal?of?Power?Sources”185(2008)1392-1397)提出在鋰片外面包覆一層快離子導體膜，這樣就機械上強制性的阻止了鋰枝晶的生長，但是這層膜必須在常溫下具備很高的鋰離子導電能力，電化學性質穩定并且要有很好的機械強度。目前制備的快離子導體性能指標并不能達到應用要求，同時昂貴的造價使得研究和應用受限。在正極方面，夏永姚(電化學通訊“Electrochemistry?Communication-s”11(2009)1127-1130)和Zhou?Haoshen(美國化學協會“ACS?Nano”5(2011)3020-3026)等分別提出采用不同孔結構的碳材料作為正極材料，以改善放電產物堆積問題，提高電池的容量。但是氧氣通道依舊會被堵塞，問題沒有得到有效地解決。

發明內容

本發明的目的在于提出一種新型的有效提高鋰氧電池的充放電容量和循環性能的不對稱鋰氧電池。

本發明提供了一種不對稱的鋰氧電池，以過氧化鋰為正極活性物質，將混合均勻的過氧化鋰和催化劑負載在多孔碳材料上形成正極，可脫嵌鋰離子的材料為負極；所述過氧化鋰在正極材料中質量含量為1~50%。

所述的正極材料通過兩段真空球磨制成；第一段球磨是先將過氧化鋰和催化劑真空球磨后，再加入多孔碳材料進行第二段球磨；其中球料比5~100:1。

所述的兩段真空球磨是在真空條件下，先將過氧化鋰和催化劑在轉速50~1000r/min時球磨0.5~20小時后；加入多孔碳材料在轉速50~1000r/min時再球磨0.5~20小時。

所述可脫嵌鋰離子的材料的嵌鋰電位不大于2.9V。

所述可脫嵌鋰離子的材料為石墨、無定形碳、硅、硅的氧化物、硅合金、錫的氧化物、錫合金或鈦酸鋰中的一種或幾種。

所述負極脫嵌鋰材料容納鋰離子的摩爾量不少于正極活性物質的過氧化鋰中鋰離子的摩爾量；整個體系的容量由正極過氧化鋰的量決定，負極材料過量，保證了負極材料的脫嵌鋰容量足夠大，滿足正極材料鋰離子的釋放。

所述多孔碳材料的比表面積為100~3000m²/g。

所述多孔碳材料為活性碳、中間相碳微球、介孔碳、碳納米管、碳纖維、石墨烯中的一種或幾種。