CN102280674B - 一种气体充电模式锂氧气电池及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于锂氧气电池制备技术领域的一种气体充电模式锂氧气电池及其充电方法。该电池包括负极、隔膜、有机电解液、正极、绝缘壳体、上盖、下盖、第一阀门和第二阀门。该电池在进行充电时，从正极侧通入二氧化硫(或二氧化氮)气体，使其与放电产物氧化锂反应生成硫酸锂(或硝酸锂)，溶解于有机电解液中。解决了锂氧气电池放电过程中，放电产物沉积在正极碳材料的大孔周围，随着放电长时间进行，放电产物会堵塞碳材料的孔径而导致放电终止的问题。本发明的锂氧气电池放电与充电过程相对独立，不仅降低了充电电压，而且提高了电池循环次数及循环效率。
Description
技术领域
本发明属于锂氧气电池制备技术领域，具体涉及一种气体充电模式锂氧气电池及其充电方法。
背景技术
锂氧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。锂氧气电池是一种用锂金属作负极，以氧气作为正极反应物的电池。其工作原理是，放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子，锂离子穿过电解质材料，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。充电过程：通过导线供应电子，锂离子穿过有机电解液到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂，正极侧反应生成氧气，产生的电子供应给导线。
目前，锂氧气电池在应用时还面临着重要缺陷：由于氧化锂不溶解在有机电解液中，因此放电产物只能在有氧负离子的氧气电极上沉积，放电产物会堵塞碳材料的孔径，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，而且反应生成的氧化锂不具有电化学可逆性，从而导致锂氧气电池的循环性能下降。如何解决上述问题，成为了锂空气电池能否得到成功应用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体充电模式锂氧气电池，来克服放电产物氧化锂不溶解在有机电解液中，堵塞氧气电极孔道的问题，以及充电电压偏高，电池循环次数、循环效率较低的问题。
一种气体充电模式锂氧气电池，该电池包括负极、隔膜、有机电解液、正极、外壳，负极、隔膜、有机电解液、正极处于外壳内，该电池外壳上设置有入口，该入口用于向正极提供二氧化硫或二氧化氮气体。
所述外壳由绝缘壳体、上盖和下盖组成，绝缘壳体固定在上盖和下盖的中间，所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜；作为负极的金属锂置于绝缘壳体内部的靠近下盖一侧，其上依次放置第一隔膜、有机电解液、第二隔膜、正极；所述的入口是设置于上盖的第一阀门，第一阀门和正极相通。
上盖上还设置有第二阀门，和正极相通，第二阀门用于向正极提供氧气。
上盖和下盖的材料为不锈钢。
正极和上盖之间有气体腔及用于支撑气体腔的弹簧。
气体充电模式锂氧气电池的充电方法为：在充电时打开第一阀门向绝缘壳体内通入二氧化硫或二氧化氮气体，使氧化锂溶解于有机电解液中，充电完成后关闭第一阀门。充电时二氧化硫或二氧化氮的流量为100～1000mL/min，压力为0.1～5MPa；放电方法为：在放电时打开第二阀门向绝缘壳体内通入氧气，放电完成后关闭第二阀门。放电时氧气的流量为5～5000mL/min，压力为0.1～10MPa。
本发明的有益效果：本发明解决了放电产物氧化锂不溶解在有机电解液中，堵塞氧气电极孔道导致放电终止的问题。本发明锂氧气电池放电结束后进行充电时，从正极侧通入二氧化硫(或二氧化氮)气体，使其与放电产物氧化锂反应生成硫酸锂(或硝酸锂)，溶解于有机电解液中。电池的放电与充电过程相对独立，不仅降低了充电电压，而且提高了电池循环次数及循环效率。
附图说明
图1为气体充电模式锂氧气电池整体结构示意图；
图中标号：1负极、2第一隔膜、3有机电解液、4第二隔膜、5正极、6绝缘壳体、7上盖、8第一阀门、9第二阀门、10气体管路、11下盖、12弹簧、13密封胶。
具体实施
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
气体充电模式锂氧气电池结构如图1所示，该电池包括负极1、第一隔膜2、有机电解液3、第二隔膜4、正极5、绝缘壳体6、上盖7、第一阀门8、第二阀门9、气体管路10、下盖11、弹簧12和密封胶13。
本实施例中第一阀门8用于通入二氧化硫，所以也称为二氧化硫阀门8，第二阀门9用于通入氧气，也称为氧气阀门9。外壳由绝缘壳体6、上盖7和下盖11组成，绝缘壳体6固定在上盖7和下盖11的中间；作为负极1的锂片置于绝缘壳体6内部靠近下盖11一侧，其上依次放置第一隔膜2、有机电解液3、第二隔膜4、正极5，正极靠近上盖7一侧；上盖7设置有氧气阀门9和二氧化硫阀门8，二氧化硫阀门8和氧气阀门9通过气体管路10与正极5相通。上盖7和下盖11为不锈钢材料；正极5和上盖7之间有气体腔及用于支撑气体腔的弹簧12；绝缘壳体6与上盖7和下盖11的连接部分用密封胶13密封。
气体充电模式锂氧气电池的充电方法为：在充电时打开二氧化硫阀门8，向绝缘壳体6内通入二氧化硫气体，使氧化锂溶解于有机电解液中，充电完成后关闭二氧化硫阀门8。充电时二氧化硫的流量为200mL/min，压力为0.12～0.15MPa；
放电方法为：在放电时打开氧气阀门9，向绝缘壳体6内通入氧气，放电完成后关闭氧气阀门9。放电时氧气的流量为50mL/min，压力为0.15MPa。
该电池的工作原理：进行充电时，从正极侧通入二氧化硫气体，使其与放电产物氧化锂反应生成硫酸锂，溶解于有机电解液中，有利于充电过程的进行，降低了充电电压，提高了电池循环性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种气体充电模式锂氧气电池，该电池包括负极（1）、隔膜、有机电解液（3）、正极（5）、外壳，负极（1）、隔膜、有机电解液（3）、正极（5）处于外壳内，其特征在于：该电池外壳上设置有入口，该入口用于向正极（5）提供二氧化硫或二氧化氮气体；
外壳由绝缘壳体（6）、上盖（7）和下盖（11）组成，绝缘壳体（6）固定在上盖（7）和下盖（11）的中间，隔膜包括第一隔膜（2）和第二隔膜（4）；作为负极（1）的金属锂置于绝缘壳体（6）内部靠近下盖（11）一侧，其上依次放置第一隔膜（2）、有机电解液（3）、第二隔膜（4）、正极（5），正极靠近上盖（7）一侧；所述的入口是设置于上盖（7）的第一阀门（8），第一阀门（8）通过气体管路（10）和正极（5）相通；
上盖（7）设置有第二阀门（9），第二阀门（9）用于向正极提供氧气。
2.根据权利要求1所述的锂氧气电池，其特征在于：正极（5）和上盖（7）之间有气体腔及用于支撑气体腔的弹簧（12）。
3.根据权利要求1所述的锂氧气电池，其特征在于：上盖（7）和下盖（11）为不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的锂氧气电池，其特征在于：绝缘壳体（6）与上盖（7）和下盖（11）的连接部分用密封胶（13）密封。
5.权利要求2至4任意一项权利要求所述的锂氧气电池的充电方法，其特征在于：在充电时打开第一阀门（8），向绝缘壳体（6）内通入二氧化硫或二氧化氮气体，使氧化锂溶解于有机电解液中，充电完成后关闭第一阀门（8）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：充电时二氧化硫或二氧化氮的流量为100～1000mL/min，压力为0.1～5MPa。
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