[發(fā)明專利]一種鋰空氣電池用電解液及其制備方法和鋰空氣電池

在審

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• 申請日: 2015-06-19
• 公開（公告）號: CN105161795A
• 公開（公告）日: 2015-12-16
• 發(fā)明（設計）人: 王芳;吳其興;羅仲寬;黃洋;尹春麗;李豪君
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 陳健

技術領域

本發(fā)明涉及電化學能源領域，尤其涉及一種鋰空氣電池用電解液及其制備方法和鋰空氣電池。

背景技術

金屬空氣電池利用空氣中的O₂進行還原，空氣不在電池中儲存，因此可以大幅提升電池的比能量。金屬鋰由于其較高的比容量(鋰為3842mAhg^-1，鋅為815mAhg^-1)成為制備負極的理想材料，因此鋰空氣電池是比能量最高的電池。而且鋰空氣電池是一種環(huán)境友好的新型電池體系，可以為未來提供清潔的電池能源，并且有望解決電動汽車及能量存儲問題，近年來備受全世界矚目。

現階段，在影響其商業(yè)化的眾多問題中，正極的極化、氧氣傳輸困難，金屬鋰的腐蝕(電解液、H₂O與CO₂)和產生鋰枝晶，電解液不穩(wěn)定、離子傳輸能力差、含氧量低及放電產物溶解度小等問題。使得鋰空氣電池庫倫效率低，充放電時過電壓高，進而影響循環(huán)性能。其中關鍵問題之一在于電解液的性能上。電解液主要作用在于能夠穩(wěn)定高效的傳導Li⁺和O₂。電解液在電池中與各個部件的兼容性是首先考慮的問題，此外，鋰空氣電池中的電解液還必須具備以下幾個特點：(1)在含氧狀態(tài)下的高電化學穩(wěn)定性；(2)高的溶氧和擴散能力；(3)低氣壓，不易揮發(fā)；(4)對放電產物(LiO₂，Li₂O₂，Li₂O，LiOH等)的溶解度較高；(5)至關重要的是在充放電循環(huán)時，形成與分解Li₂O₂的過程具有高度的可逆性。

鋰空氣電池使用的各種電解液都有各自的優(yōu)點與缺陷，例如目前研究最為廣泛的是醚類電解液，在比容量1000mAhg^-1的情況下的電池循環(huán)次數已經達到900圈，離子傳導能力強和粘度低，具有高度的熱穩(wěn)定性，不易揮發(fā)，但是其最大的缺陷是對O₂^2-不穩(wěn)定，即放電產物Li₂O₂容易誘導其分解；以砜類電解液為主的環(huán)丁砜(TMS)鋰空氣循環(huán)次數也達到了800多圈，而TMS的缺陷在于其粘度(10.35Pas)和熔點(27℃)，另一種砜類電解液二甲基亞砜(DMSO)在非碳電極下性能非常好，但是這類電極成本很高，而且降低鋰空氣電池的重量優(yōu)勢；直鏈的N,N-二烷基酰胺類電解液是對O₂及其還原產物最為穩(wěn)定的電解液，因為這類電解液集較優(yōu)的抗親核攻擊能力、較寬的電化學穩(wěn)定窗口、較強的抗自氧化能力以及較低的C-H酸性于一身，而且常用對正極的幾乎完全兼容，但是其難在Li負極表面形成穩(wěn)定的固體電解液膜(SEI)，充電時在負極表面發(fā)生激烈的反應，形成可溶性降解產物。

因此，現有技術還有待改進。

發(fā)明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鋰空氣電池用電解液及其制備方法和鋰空氣電池，所述鋰空氣電池用電解液以環(huán)丁砜(TMS)作為基礎溶劑，在其中添加適量N,N-二甲基乙酰胺(DMA)，通過TMS和DMA的協(xié)同作用，以提升鋰空氣電池的循環(huán)壽命，降低充電過電壓，提升鋰空氣電池在大電流下循環(huán)性能力，旨在解決現有技術中單一的電解液不能適應鋰空氣電池工業(yè)化需求的問題。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種鋰空氣電池用電解液，包括電解液溶劑和電解液溶質，其中，所述電解液溶劑為混合電解液溶劑，包括環(huán)丁砜和N,N-二甲基乙酰胺；

其中，N,N-二甲基乙酰胺和環(huán)丁砜的體積比為X：100-X，0＜X＜100。

所述的鋰空氣電池用電解液，其中，N,N-二甲基乙酰胺和環(huán)丁砜的體積比為10～30：70～90。

所述的鋰空氣電池用電解液，其中，N,N-二甲基乙酰胺和環(huán)丁砜的體積比為20：80。

所述的鋰空氣電池用電解液，其中，所述電解液溶質為雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰；所述電解液溶質的濃度為0.5～1.5mol/L。

一種如上所述的鋰空氣電池用電解液的制備方法，其中，包括以下步驟：

第一步，量取的TMS和DMA，稱取鋰鹽；

第二步，按比例混合TMS和DMA，得電解液溶劑；將鋰鹽與電解液溶劑混合；

第三步，將鋰鹽和電解液溶劑進行磁力攪拌混勻，溫度控制在40-80℃，靜置冷卻至室溫。

所述的鋰空氣電池用電解液的制備方法，其中，第二步中，具體為：