[發(fā)明專利]一種鋰空氣電池正極的制備方法

無效

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• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103474677A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王芳;羅仲寬;徐揚海;梁春生;劉東;陳靜
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/96
• 代理公司: 深圳市恒申知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 44312
• 代理人: 陳健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰空氣電池正極的制備方法。

背景技術(shù)

鋰空氣電池是金屬空氣電池的一種，其工作原理是：金屬負極負責存儲能量，而多孔正極則作為能量轉(zhuǎn)換工具，空氣并不存在于電池中而來自于環(huán)境，因此能大大提高電極比容量。研究還發(fā)現(xiàn)鋰空氣電池具有高的能量密度和平穩(wěn)的放電電壓，容量依賴于負載量和空氣正極材料及結(jié)構(gòu)。目前鋰空氣電池存在的主要問題有：正極的極化、氧氣傳輸困難、有機電解質(zhì)溶劑及電解質(zhì)鹽的分解、隔膜機械強度差和熱穩(wěn)定性不強、負極鋰腐蝕、鋰片和放電產(chǎn)物的不均勻溶解和沉積，使得鋰空氣電池庫倫效率低和循環(huán)性得不到提高。正極材料作為其中關(guān)鍵一環(huán)，一旦解決了正極極化、產(chǎn)物存儲、氧氣傳輸和電解液的擴散問題，必將使鋰空氣電池性能大大優(yōu)化并成功應(yīng)用于電網(wǎng)存儲、電動汽車等電子設(shè)備。

現(xiàn)有技術(shù)中鋰空氣電池正極一般是將活性材料負載在導(dǎo)電多孔基體上，并且和集流體緊密相連。常用導(dǎo)電多孔基體包括鋁網(wǎng)、泡沫鎳、多孔陶瓷片等，而集流體通常會選用鎳網(wǎng)或者不銹鋼網(wǎng)。同時為了阻止外界環(huán)境中的水分和二氧化碳進入電池內(nèi)部，會在集流體外增加一層疏水透氧薄膜，如聚四氟乙烯（PTFE）疏水膜。這類經(jīng)修飾過的鋰空氣電池正極在循環(huán)性能上比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前大大提高，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高、庫倫效率低，無法滿足商業(yè)使用。另外，采用鎳網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)作為集流體，電池充放電時存在與電解液發(fā)生反應(yīng)的可能性，破壞了電池穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鋰空氣電池正極的制備方法，所制備的鋰空氣電池正極能有效改善鋰空氣電池的循環(huán)性能，使鋰空氣電池能穩(wěn)定循環(huán)100次以上。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種鋰空氣電池正極的制備方法，包括以下步驟：

a)將反應(yīng)物間苯二酚和甲醛、催化劑碳酸鈉、溶劑水攪拌混合后，密封于容器中，并置于30℃、50℃和85℃下交聯(lián)老化1天、4天、2天，得到RF有機濕凝膠；

b)將上述RF有機濕凝膠在3wt%-5wt%的乙酸溶液中浸泡1天進行酸化，將酸化后的RF有機濕凝膠浸泡在丙酮中三次，每次一天，待丙酮自然揮發(fā)干燥，得到RF有機氣凝膠；

c)將所述RF有機氣凝膠研磨后在氮氣的保護氣氛中煅燒，即得碳氣凝膠粉末；

d)將所述碳氣凝膠粉末與粘結(jié)劑聚偏氟乙烯（PVDF）或聚四氟乙烯（PTFE）按1:9～3:7的質(zhì)量比混合，浸沒于N-甲基吡咯烷酮（NMP）分散劑中攪拌6～12小時制成漿料并涂膜在碳纖維紙上，真空干燥后沖片即制得鋰空氣電池正極。其中，真空干燥溫度為80℃，干燥時間為3-6小時。

本發(fā)明有益效果在于：

（1）顯著提高循環(huán)性能。通過創(chuàng)新性地將碳纖維紙和多孔性碳氣凝膠材料結(jié)合制備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多孔碳復(fù)合空氣正極，恒流充放電測試時，控制電流為0.05mA/cm²，比容量為1000mAh/g，循環(huán)次數(shù)達100次以上。

（2）精簡電池結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，同時提高電池總的比容量和比能量。本發(fā)明選用碳纖維紙作為空氣正極基體，省去了通常情況下將鎳網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)作為鋰空氣電池集流體和將PTFE疏水膜作為鋰空氣電池疏水透氧膜兩種材料，節(jié)約了電池成本，同時提高電池總的比容量和比能量；

（3）降低電阻。省卻了PTFE疏水透氧膜和集流體等材料，選用了電導(dǎo)率較高的碳纖維紙，同時多孔的正極結(jié)構(gòu)有利于氣體通過，電解液傳輸和產(chǎn)物存儲，提高電池可逆性，減少產(chǎn)物積累，均能有效降低電池電阻。

（4）減少正極極化。所制備碳氣凝膠材料具有良好導(dǎo)電性和孔徑分布，能夠儲存放電產(chǎn)物和降低充電電壓，因而減少了正極的極化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例5得到的碳氣凝膠材料的FE-SEM圖像。

圖2是鋰空氣電池恒流充放電測試，其充放電比容量與充放電電壓及循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，其中：

圖2a是對比例碳紙作為鋰空氣電池正極恒流充放電的前150次充放電比容量與電壓變化曲線。

圖2b實施例5得到的碳氣凝膠材料作為鋰空氣電池正極恒流充放電的前150次充放電比容量與電壓變化曲線。

圖2c是對比例碳紙作為鋰空氣電池正極恒流充放電的充放電比容量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系曲線。

圖2d是實施例5得到的碳氣凝膠材料制備鋰空氣電池正極恒流充放電的充放電比容量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系曲線。

圖3是鋰空氣電池組裝模型。

圖4是碳氣凝膠材料的等溫吸附線和內(nèi)插孔徑分布圖；其中