CN102227035A - 一种双层可控正极结构锂空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于锂空气电池制备技术领域的一种双层可控正极结构锂空气电池。本发明锂空气电池的正极为大孔亲水碳布层与多孔憎水碳纸层双层结构，其中多孔憎水碳纸层是将碳纸通过PTFE进行强憎水处理，使其仅作为气体传输通道；而大孔亲水碳布层是将碳布的大孔周围涂覆上一层碳载合金催化剂，使其成为电化学反应发生的场所。锂空气电池放电过程中，放电产物将沉积在碳布的大孔周围，随着放电的长时间进行，放电产物会堵塞碳布的孔径，使得气体与电解液不能在催化剂表面形成三相界面而导致放电终止。本发明的锂空气电池没电时无需充电，只需更换大孔亲水碳布层，就使得锂空气电池可以连续工作。

Description

一种双层可控正极结构锂空气电池
技术领域
本发明属于锂空气电池制备技术领域，具体涉及一种双层可控正极结构锂空气电池。
背景技术
锂空气电池是一种用锂金属作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(Li+)，Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2)，并留在阴极，锂空气电池的开路电压为2.91V。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5,210Wh/kg(包括氧气质量)，或11,140Wh/kg(不包括氧气)。相对与其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能量。因此，锂空气电池以其高的理论比容量和比能量以及对环境友好等特性而成为目前备受关注的能量转换体系。其工作原理是，首先氧气在多孔空气电极表面还原成O2-或O2 2-，接着与电解液中的Li+结合生产产物Li2O2或Li2O。由于过氧化锂和氧化锂均不溶解在有机电解液中，因此放电产物只能在有氧负离子或过氧负离子的空气电极上沉积，在阳极过量的情况下，放电的终止是由于放电产物堵塞空气电极孔道所致。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层可控正极结构锂空气电池，克服放电产物Li2O2或Li2O沉积在空气电极上，堵塞空气电极孔道导致放电终止的问题。
一种双层可控正极结构锂空气电池，该电池包括锂片1，隔膜2、有机电解液3、大孔亲水碳布层4、多孔憎水碳纸层5、绝缘壳体6、不锈钢壳体7、气体阀门8；锂片1置于绝缘壳体6内部底端，其上依次放置隔膜2、有机电解液3、大孔亲水碳布层4、多孔憎水碳纸层5；多孔憎水碳纸层5的一侧留有空气腔，绝缘壳体6置于两块不锈钢壳体7的中间，通过螺丝固定，靠近正极侧的不锈钢壳体7上连接气体阀门8。
所述大孔亲水碳布层4是由碳布及涂覆在碳布大孔周围上的一层催化剂组成；多孔憎水碳纸层5由碳纸经过憎水处理制成。
所述催化剂为Pt、Au、Pd、PtAu、PtPd、AuPd、PtAuPd、MnO2、Fe2O3或Co3O4。
所述涂覆的方式为喷涂、刮涂、真空溅射、丝网印刷或化学沉积。
所述碳纸憎水处理的方式为PTFE浸渍烧结处理，其碳纸中PTFE的含量为10-70wt％。
本发明的有益效果：本发明的电池克服了放电产物Li2O2或Li2O沉积在空气电极上，堵塞空气电极孔道导致放电终止的问题，电池没电时无需充电，只需更换大孔亲水碳布层，就使得锂空气电池可以连续工作。
附图说明
图1为双层可控正极结构锂空气电池整体结构示意图；
图中，1-锂片、2-隔膜、3-有机电解液、4-大孔亲水碳布层、6-绝缘壳体、7-不锈钢壳体、8-气体阀门、9-密封胶、10-气体管路、11-弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本实施例双层可控正极结构锂空气电池结构如图1所示，由锂片1，隔膜2，有机电解液3，大孔亲水碳布层4，多孔憎水碳纸层5，绝缘壳体6，不锈钢壳体7及气体阀门8组成；锂片1置于绝缘壳体6内部底端，其上依次放置隔膜2、有机电解液3、大孔亲水碳布层4、多孔憎水碳纸层5；多孔憎水碳纸层5的一侧留有空气腔，绝缘壳体6置于两块不锈钢壳体7的中间，通过螺丝固定，靠近正极侧的不锈钢壳体7上连接气体阀门8；气体阀门8的出气阀门和进气阀门通过气体管路10与不锈钢壳体7内部相通；不锈钢壳体7内部内部设有弹簧11；密封胶9密封不锈钢壳体7的四个角。
大孔亲水碳布层4是由碳布及涂覆在碳布大孔周围上的一层催化剂组成，催化剂为Pt、Au、Pd、PtAu、PtPd、AuPd、PtAuPd、MnO2、Fe2O3或Co3O4；多孔憎水碳纸层5由碳纸经过憎水处理制成，处理方式为PTFE浸渍烧结处理，其碳纸中PTFE的含量为10-70wt％。
该电池的工作原理：当锂空气电池放电过程中，放电产物氧化锂或过氧化锂将沉积在碳布的大孔周围，随着放电的长时间进行，放电产物氧化锂或过氧化锂会堵塞碳布的孔径，使得气体与电解液不能在催化剂表面形成三相界面而导致放电终止。这种结构的锂空气电池没电时无需充电，只需更换大孔亲水碳布层4，就可以连续工作。

Claims (5)

1.一种双层可控正极结构锂空气电池，其特征在于，该电池包括锂片(1)，隔膜(2)、有机电解液(3)、大孔亲水碳布层(4)、多孔憎水碳纸层(5)、绝缘壳体(6)、不锈钢壳体(7)、气体阀门(8)；锂片(1)置于绝缘壳体(6)内部底端，其上依次放置隔膜(2)、有机电解液(3)、大孔亲水碳布层(4)、多孔憎水碳纸层(5)；多孔憎水碳纸层(5)的一侧留有空气腔，绝缘壳体(6)置于两块不锈钢壳体(7)的中间，通过螺丝固定，靠近正极侧的不锈钢壳体(7)上连接气体阀门(8)。
2.根据权利要求1所述一种双层可控正极结构锂空气电池，其特征在于，所述大孔亲水碳布层(4)是由碳布及涂覆在碳布大孔周围上的一层催化剂组成；多孔憎水碳纸层(5)由碳纸经过憎水处理制成。
3.根据权利要求2所述一种双层可控正极结构锂空气电池，其特征在于，所述催化剂为Pt、Au、Pd、PtAu、PtPd、AuPd、PtAuPd、MnO2、Fe2O3或Co3O4。
4.根据权利要求2所述一种双层可控正极结构锂空气电池，其特征在于，所述涂覆的方式为喷涂、刮涂、真空溅射、丝网印刷或化学沉积。
5.根据权利要求2所述一种双层可控正极结构锂空气电池，其特征在于，所述碳纸憎水处理的方式为PTFE浸渍烧结处理，其碳纸中PTFE的含量为10-70wt％。
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