[發明專利]以含氮碳擔載納米硼鋰合金為陽極材料的鋰氧電池

有效

• 申請號: 201611133520.5
• 申請日: 2016-12-10
• 公開（公告）號: CN106784764B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 李睿;劉賓虹;李洲鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M12/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及建材技術領域，旨在提供一種以含氮碳擔載納米硼鋰合金為陽極材料的鋰氧電池。該鋰氧電池是以涂覆了陰極材料和陽極材料的碳紙作為陰極和陽極，陰極和陽極均以涂覆側相向與隔膜共同組成單電池結構；其中，陰極板和陽極板上設置進出口通道與極板內流路相連，進口通道在下，出口通道在上，陰極板和陽極板的電極側均刻有流路；多孔的陰極涂覆層內部充滿陰極液；多孔的陽極涂覆層內部充滿陽極液，陰、陽極板由密封圈密封。本發明利用硼鋰合金具有極高的脫鋰比容量的特性，形成大容量負極材料。石墨烯良好的導電性有利于大電流放電，采用鋰離子化的全氟磺酸樹脂膜，隔絕有機陽極液和水性陰極液，提高鋰氧電池的安全性，可應用于電動汽車。

技術領域

本發明涉及一種鋰氧電池陽極材料及鋰氧電池的制備方法，更具體地說，本發明涉及將葡萄糖、尿素和偏硼酸鋰球磨混合，通過分段煅燒后，得到含氮碳擔載納米硼鋰合金作為鋰氧電池陽極材料，將葡萄糖、尿素、硝酸鈷和NaCl-KCl共晶鹽球磨混合，通過分段煅燒后，用水清洗掉鹽分，得到石墨烯擔載納米鈷作為鋰氧電池陰極材料，以及利用本發明陽極材料和陰極得到鋰氧電池的制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因而得到了普遍應用。現在的許多數碼設備都采用了鋰離子電池作電源。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5～2倍，而且具有很低的自放電率、不含有毒物質等優點是它廣泛應用的重要原因。1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦為陽極，以LiCoO₂為陰極的鋰離子電池：LiC₆|LiClO₄-PC+EC|LiCoO₂。同年。Moli和sony兩大電池公司宣稱將推出以石墨碳為陽極的鋰離子電池。1991年，日本索尼能源技術公司與電池部聯合開發了一種以聚糖醇熱解碳(PFA)為陽極的鋰離子電池。鋰離子電池傳統陽極材料有石墨(C₆)，硫化物：TiS₂、NbS₂，氧化物：WO₃、V₂O₅、SnO₂等。以石墨陽極材料為例，充放電過程中陽極反應：

C₆+xLi⁺+xe＝＝Li_xC₆

當對電池進行充電時，電池的陰極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到陽極。而作為陽極的石墨呈層狀結構，到達陽極的鋰離子就嵌入到石墨層間，形成嵌鋰化合物(Li_xC₆)，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當對電池進行放電時，嵌在石墨層中的鋰離子脫出，又運動回到陰極。能夠回到陰極的鋰離子越多，放電容量越高。

傳統鋰離子電池通常是用有機溶劑配制成電解液。若采用水性電解液，鋰離子的還原電位顯著低于質子的還原電位，導致充電時氫氣優先生成，導致水性電解液中水不斷被電解，造成電解液的分解。而且，通常情況下鋰陽極在水溶液中會發生劇烈反應，引發電池熱失控。因此，目前的鋰離子電池只能選擇非質子型電解液體系，這也約束了配對的高能陰極材料的選取。

鋰氧電池是一種用鋰作陽極，氧氣作為陰極反應物的電池。當利用空氣中的氧作為陰極反應物時，也被稱作為鋰空電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。理論上，由于氧氣作為陰極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質量)，或11.14kWh/kg(不包括氧氣)。因此，鋰氧電池是非常有吸引力的新型化學電源。

作為鋰氧電池的陽極材料必須是具備以下要求：(1)鋰貯存量高；(2)鋰在陽極材料中的嵌入、脫嵌反應快，即鋰離子在固相中的擴散系數大，在電極－電解液界面的移動阻抗小；(3)鋰離子在電極材料中的存在狀態穩定；(4)在電池的充放電循環中，陽極材料體積變化小；(5)電子導電性高；(6)陽極材料在電解液中不溶解。