[發明專利]一種全固態鋰?空氣電池及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201610112823.2
• 申請日: 2016-02-29
• 公開（公告）號: CN105742761B
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 金超;楊瑞枝;王章俊;羅勇
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司32103
• 代理人: 陶海鋒,孫周強

1.一種全固態鋰-空氣電池，其特征在于：所述全固態鋰-空氣電池包括鋰金屬陽極、多孔陶瓷支撐體、致密電解質薄膜、多孔陰極薄膜、密封材料、電流收集器、電池陽極引線以及電池陰極引線；所述多孔陰極薄膜包括多孔骨架以及負載于多孔骨架上的陰極催化劑；所述多孔陶瓷支撐體為一端封閉的管式結構；所述鋰金屬陽極位于多孔陶瓷支撐體的內腔以及孔中；所述致密電解質薄膜位于多孔陶瓷支撐體外側壁；所述多孔陰極薄膜位于致密電解質薄膜外側壁；所述密封材料位于多孔陶瓷支撐體開口的一端；所述多孔陶瓷支撐體的材質為石榴石型鋰離子固態電解質材料；所述致密電解質薄膜的材質為石榴石型鋰離子固態電解質材料。

2.根據權利要求1所述全固態鋰-空氣電池，其特征在于：所述多孔陶瓷支撐體中，沿徑向方向，由內向外，孔徑逐漸變小；所述多孔陰極薄膜與多孔陶瓷支撐體開口邊緣之間的距離為3～10mm。

3.根據權利要求1所述全固態鋰-空氣電池，其特征在于：所述多孔陶瓷支撐體的壁厚為1～3mm，長徑比為（0.06～0.5）∶1；所述致密電解質薄膜的厚度為2～30μm；所述多孔骨架的孔隙率為50～80%；所述多孔陰極薄膜的厚度為30～150μm。

4.權利要求1所述全固態鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）在相轉移劑存在下，以石榴石型鋰離子固態電解質材料為原料，制備多孔陶瓷支撐體生坯；然后將生坯于1000～1100℃燒結12～24小時，得到多孔陶瓷支撐體；

（2）在有機添加劑存在下，將石榴石型鋰離子固態電解質材料分散于有機溶劑中，得到浸漬漿料；然后將步驟（1）的多孔陶瓷支撐體浸漬于所述浸漬漿料中；浸漬完成后，于1000～1250℃燒結8～12小時，即在多孔陶瓷支撐體外側壁形成致密電解質薄膜；

（3）將制備陰極催化劑的原料加入水中，配置成陰極催化劑前驅體溶液；將石榴石型鋰離子固態電解質材料、粘接劑以及造孔劑混合，配制涂刷漿料；然后將涂刷漿料涂刷于步驟（2）得到的致密電解質薄膜表面；涂刷完成后，于1000～1100℃燒結4～8小時，即在致密電解質薄膜表面形成多孔骨架；將多孔骨架與陰極催化劑前驅體溶液復合后，經過煅燒，使得陰極催化劑負載于多孔骨架上；

（4）將金屬鋰熔液注入步驟（3）的多孔陶瓷支撐體內腔中，然后將電池陽極引線插入金屬鋰熔液中；金屬鋰凝固后，在多孔陶瓷支撐體開口一端設置密封材料；然后利用銀漿將電池陰極引線與多孔骨架粘接；即得到全固態鋰-空氣電池。

5.根據權利要求4所述全固態鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于：步驟（1）中，將相轉移劑與石榴石型鋰離子固態電解質材料混合后研磨均勻，然后制備多孔陶瓷支撐體生坯；所述相轉移劑為聚醚砜粉末；相轉移劑與石榴石型鋰離子固態電解質材料的質量比為0.8～1.2∶1。

6.根據權利要求4所述全固態鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于：步驟（2）中，在有機添加劑存在下，將石榴石型鋰離子固態電解質材料分散于有機溶劑中，球磨3～5小時，得到浸漬漿料；多孔陶瓷支撐體浸漬于所述浸漬漿料中的次數為2～6次，每次浸漬后烘干再進行下一次浸漬；所述有機添加劑為三乙醇胺、鄰苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇、聚乙烯醇縮丁醛中的一種或多種；所述有機溶劑為醇溶劑；所述有機添加劑的用量為石榴石型鋰離子固態電解質材料質量的14%～15%。

7.根據權利要求4所述全固態鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于：步驟（3）中，所述造孔劑為活性炭或者淀粉；所述造孔劑的用量為石榴石型鋰離子固態電解質材料質量的40～100%；多孔骨架與陰極催化劑前驅體溶液復合的方式為將多孔骨架浸漬陰極催化劑前驅體溶液中或者將陰極催化劑前驅體溶液滴于多孔骨架上；煅燒溫度為380～650℃，時間為2～8小時。

8.根據權利要求4所述全固態鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于：步驟（4）中，在充有氬氣、氧氣和水蒸氣含量低于1ppm的手套箱中，將金屬鋰熔液注入步驟（3）的多孔陶瓷支撐體內腔中，然后將電池陽極引線插入金屬鋰中；于185℃保溫20～40分鐘；停止保溫，金屬鋰凝固后，在多孔陶瓷支撐體開口一端設置密封材料。