[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

技術領域

本發明涉及一種鋰-空氣電池，具體涉及一種全固態鋰-空氣電池及其制備方法與應用，屬于高性能化學電源領域。

背景技術

目前，中小型汽車的動力來源主要為柴汽油的燃燒，然而隨著石油資源的日漸枯竭和環境問題的日益惡化，人們迫切需要尋找一種綠色能源替代。在目前眾多的綠色能源替代品中，鋰離子電池以相對較高的能量密度、良好的倍率性能和循環穩定性、無記憶效應等特點，最近幾年迅速替代了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池成為電動車市場上最受歡迎的高能動力電池。

鋰-空氣電池是一種以氧氣為正極活性材料、以金屬鋰為負極活性材料的電池，由于氧氣不需要儲存在電池內部，其理論能量密度高達5.21 kWh/kg(含氧氣)或11.14 kWh/kg(不含氧氣)，遠高于傳統鋰離子電池的理論能量密度（200-250 Wh/kg），其性能可與汽油(12.22 kWh/kg)相媲美，因此，鋰-空氣電池也被稱為下一代鋰電池或終極電池。鋰-空氣電池放電時，空氣中的氧氣分子在催化劑作用下轉變成氧負離子或過氧負離子，并和陽極傳遞過來的鋰離子結合生成鋰氧化物或者鋰過氧化物；放電時，生成的鋰氧化物或者鋰過氧化物重新分解，生成氧氣和金屬鋰，實現放與充的可逆循環；這與常規的鋁空氣電池、鋅空氣電池等金屬空氣電池有很大別，鋁空氣和鋅空氣電池主要在堿性溶液中工作，主要做一次電池使用。

鋰-空氣電池作為新一代高能量密度電源在便攜式電子產品和通訊設備等領域具有廣闊的應用前景，尤其可滿足電動汽車電源的高能量密度的要求。現有技術中，鋰-空氣電池研究多以現有鋰離子電池為基礎，使用有機碳酸脂類電解液作為有機電解質溶液，但有機電解液易燃易爆，這導致電解質泄漏和由此引發的電池爆炸、火災時有發生。要提高鋰-空氣電池的使用安全性，最直接、最有效的方法就是不再使用易燃易爆的有機電解質溶液，采用不燃不爆的全固態鋰離子電解質，既可以實現電池安全裝置的簡化，又可以大幅降低電池制造成本。

現有技術報道了一種基于磷酸鹽類固體電解質的固態鋰-空氣電池，但是都使用具有NASICON結構的磷酸鹽類固體電解質材料，如Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)和Li_1+xAl_yGe_2-x(PO₄)₃(LAGP)，這類固態電解質材料不穩定，容易和鋰金屬陽極發生反應；因此，在這些已報道的固態鋰-空氣電池中，在鋰金屬陽極和固態電解質之間還需放置飽浸有液態有機電解液的隔膜材料，這一方面增加了電池工作時鋰離子傳輸路徑，另一方面，有機電解液的使用，仍不可避免地帶來了電池的安全性問題，電池也不能稱為全固態鋰-空氣電池。石榴石型氧化物鋰離子固態電解質具有較高的鋰離子導電性，通過摻雜可以改善其導電率和燒結性能；但是目前關于石榴石型氧化物鋰離子固態電解質的研究主要集中在材料制備、基本性能改善和鋰離子傳遞機制等方面，關于利用其制作全固態鋰-空氣電池器件還沒有見報道。此外，現有的固態鋰-空氣電池都是紐扣式的，鋰金屬陽極、空氣電極和固態電解質之間純粹是靠擠壓實現的物理接觸，這種方式組裝的電池接觸電阻較大，且電池反應時鋰離子和氧負離子只在層與層接觸面傳遞，電池極化電阻也較大。

發明內容

本發明的目的是提供一種全固態鋰-空氣電池及其制備方法，首次利用石榴石型氧化物作為鋰離子固態電解質，通過對鋰金屬陽極、空氣電極和鋰離子固態電解質之間的接觸界面經行調控和優化，提高全固態鋰-空氣電池充放電容量、倍率性和穩定性；從而真正的得到一種全固態鋰-空氣電池，具有充放電容量高、倍率性能好、循環穩定性高、工作溫度范圍廣等優點，適用于各種移動電子設備以及動力電池領域。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：

一種全固態鋰-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。