[發(fā)明專利]一種雙陰極結(jié)構(gòu)及利用其制得的鋰氧電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110047376.8
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN112599789B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙勇;韓慶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M12/08
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發(fā)明公開一種雙陰極結(jié)構(gòu)及利用其制得的鋰氧電池，雙陰極結(jié)構(gòu)包括內(nèi)層陰極、氣體阻擋層、外層陰極。雙陰極結(jié)構(gòu)應(yīng)用在鋰氧氣電池中，內(nèi)層陰極為液相催化劑的活化提供了新的電子傳遞通道，保障了電池持續(xù)性的低充電電壓，進(jìn)而減少副反應(yīng)的發(fā)生。通過氣體阻擋層來阻止Li₂O₂在內(nèi)層陰極的沉積，保證了內(nèi)層陰極與液相催化劑電子傳遞的有效進(jìn)行。外陰極同時(shí)具有電子傳遞、存儲(chǔ)Li₂O₂放電產(chǎn)物的作用。雙陰極結(jié)構(gòu)的鋰氧氣電池解決了副產(chǎn)物在傳統(tǒng)鋰氧氣電池陰極上積累造成液相催化劑無法活化的難題、是迄今為止較為先進(jìn)的鋰氧氣電池結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰-氧氣電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙陰極結(jié)構(gòu)及利用其制得的鋰氧電池。

背景技術(shù)

非質(zhì)子鋰氧氣電池的理論能量密度高達(dá)3500Wh kg^-1，比當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池能量密度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其在電動(dòng)汽車、便攜式電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于鋰氧氣電池的放電產(chǎn)物L(fēng)i₂O₂的固有電子傳導(dǎo)率低、以及正極反應(yīng)過程中存在的活性中間體，造成了正極反應(yīng)電子傳遞受限和大量副反應(yīng)，導(dǎo)致電池有限的循環(huán)壽命和特定容量，制約了鋰氧氣電池的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，一個(gè)重要的研究策略是通過將雙液相氧還原OER和析氧ORR催化劑引入到電解質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)高效液相催化Li₂O₂的形成和分解反應(yīng)，例如2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(DBBQ)為代表的液相ORR催化劑和2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧氣化物(TEMPO)為代表的OER催化劑(Nature Energy.2017,2,17118)。由于O₂/Li₂O₂和RMs之間的有效電子轉(zhuǎn)移，可溶性RMs可以大大提高電池的能量效率，同時(shí)抑制活性氧中間體和¹O₂的產(chǎn)生，從而改善了Li₂O₂形成和分解的反應(yīng)可逆性，從而減少電池的副反應(yīng)。

即使如此，基于ORR和OER的雙液相催化劑組裝的鋰氧氣電池仍然沒有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的循環(huán)壽命。其根本原因在于，電池在運(yùn)行過程中，副產(chǎn)物和未分解的Li₂O₂在陰極不斷累積，生成了不導(dǎo)電的鈍化層，造成正極電子傳遞受限。液相催化劑分子不能快速再生，導(dǎo)致電池的充電電位不斷升高，使電池循環(huán)狀況進(jìn)一步惡化。

本申請(qǐng)構(gòu)建一種雙陰極結(jié)構(gòu)的鋰氧氣電池，包括鋰負(fù)極，隔膜，含雙相催化劑的電解液以及由內(nèi)層陰極，氣體阻擋層和外層陰極組成的雙陰極結(jié)構(gòu)的正極。內(nèi)層陰極的引入實(shí)現(xiàn)液相催化劑的穩(wěn)定和快速活化，保證了電極與液相催化劑電子傳遞的有效進(jìn)行。氣體阻擋層的主要作用是防止放電產(chǎn)物在內(nèi)層陰極的沉積，從而保障內(nèi)層陰極與液相催化劑分子間電子傳遞的高效性。外陰極同時(shí)具有電子傳遞、存儲(chǔ)Li₂O₂放電產(chǎn)物、以及還原液相催化劑的作用。雙陰極結(jié)構(gòu)正極的引入不僅可以顯著提升液相催化劑的活化效率，而且可以大幅度抑制電池副反應(yīng)的程度，從而延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種雙陰極結(jié)構(gòu)及利用其制得的鋰氧電池。

基于上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種雙陰極結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)層陰極和外層陰極，內(nèi)層陰極和外層陰極之間被氣體阻擋層隔開，所述內(nèi)層陰極為碳布或碳膜，所述外層陰極為負(fù)載碳材料的導(dǎo)電基底；所述氣體阻擋層制備過程如下：在氣體阻擋層或經(jīng)等離子體清洗機(jī)處理過的氣體阻擋層上滴加電解液浸透，即得吸附有電解液的氣體阻擋層，所述氣體阻擋層的材質(zhì)為聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚酰亞胺膜、聚酰胺膜、氨綸和芳綸膜中的一種。