CN102637922B - 一种锂空气电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：1）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5混合，熔化，磨粉，烧结，得到粉末；2）将乙炔黑、粉末和聚合物介质混合于水中，涂于镍基材的两面，并将镍基材夹在两块不锈钢板之间，压平，干燥，保护气氛下烧结，得到空气正极；3）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5混合，熔化，磨粉，烧结，得到第一薄膜；4）将锂盐电解质、氮化硼、聚氧化乙烯混合，球磨，热压得到第二薄膜；5）将Li2O、氮化硼、聚氧化乙烯混合，球磨，热压，得到第三薄膜；6）将第一薄膜夹在第二薄膜和第三薄膜之间，得到固态电解质；7）将空气正极与固态电解质的第二薄膜连接；8）在金属锂负极的覆盖一层铝箔，再将金属锂负极另与固态电解质的第三薄膜连接；9）组装电池外壳、密封圈、防水透气膜。本发明的空气电池具有较好的循环充放性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂空气电池的制备方法。
背景技术
随着化石能源的日渐消耗和能源需求的日益增长，对新型能源材料的研究开发迫在眉睫。电能早在上个世纪普及应用，电池是使用电能的常用工具之一，现在研究和应用比较广泛的是锂离子电池。由于锂离子电池能量密度高，使用寿命长，自放电率低和无记忆效应等优点，锂离子电池正受到世界科学家的关注。但目前商业化的锂离子电池主要还是基于LiCoO2等锂离子嵌层化合物的摇椅机理，正极材料成为锂离子电池能量密度的限制，极限能量密度只能达到400Wh/Kg，所以，锂离子电池难当重任，寻找新的电化学电源途径势在必行。
锂空气电池的研究应运而生，它以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极为正极，放电过程中，金属锂在负极失去电池成为锂离子，电子通过外电路到达多孔正极，将空气中的氧气还原，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。由此可见，锂空气电池在整个充放电过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零污染的绿色过程。
锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽用之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既降低了成本又减轻了电池的重量，所以电池的能量密度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得出，锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的超高理论能量密度，这一能量密度足以和汽油相媲美，从而有望完全代替汽油，真正实现纯电动汽车。
锂空气电池有着巨大的应用潜能，但是目前研究尚未成熟，仍存在许多关键技术点有待研究解决。例如，以空气中的氧气作为正极活性物质，必然要求正极材料能够有利于氧气分子快速扩散，与电池的电子快速反应。又如，传统锂离子电池采用有机电解液，表面张力会使亲油性的空气电极被电解液淹没，不利于形成扩散电极，导致放电时氧气供应不足，降低电池循环性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂空气电池的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:（2.5-3.5）:（5.5-6.5）:（5.5-6.5）的摩尔比混合，熔化，磨粉，烧结，得到粉末；
2）将25-50wt%的乙炔黑、50-75wt%的上步得到的粉末和聚合物介质混合于水中，搅拌均匀，涂于镍基材的两面，并将镍基材夹在两块不锈钢板之间，压平，干燥，保护气氛下烧结，得到空气正极；
3）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:(2.5-3.5):(5.5-6.5):(5.5-6.5)的摩尔比混合，熔化，磨粉，然后压平，烧结，得到第一薄膜；
4）将18-25wt%的锂盐电解质、8-16wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，热压至200-400μm，得到第二薄膜；
5）将18-25wt%的锂盐电解质、8-16wt%的Li2O、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，热压至200-400μm，得到第三薄膜；
6）将第一薄膜夹在第二薄膜和第三薄膜之间，压至800-1000μm，得到固态电解质；
7）将空气正极与固态电解质的第二薄膜连接；
8）在金属锂负极的覆盖一层铝箔，再将金属锂负极另与固态电解质的第三薄膜连接；
9）组装正负电池外壳、密封圈、防水透气膜。
步骤1）中，熔化温度为1200-1400℃。
步骤1）中，烧结温度为800-1000℃。
步骤2）中，保护气氛为He、Ne、Ar中的一种。
步骤2）中，所述的聚合物介质为聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚砜中的一种。
步骤4）中，所述的锂盐电解质为LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiN(SO2CF2CF3)2中的一种。
本发明的有益效果是：1、本发明的电池正极为对氧气有催化还原作用的空气材料，能用外界的氧气参与电极反应。与传统锂离子电池相比，正极材料不是钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等，故有价金属的消耗少，从而降低了成本。
2、本发明采用固态电解质，没有有机溶剂，空气正极不会被电解液淹没，解决放电时氧气供应不足，降低电池循环性能的问题。而且对环境友好，解决传统锂离子电池的电解液有毒易挥发的危害。
附图说明
图1是本发明的电池结构的截面结构示意图。
图2为锂空气电池的充放电电压-时间曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：
以下涉及热压的步骤4）-6）中，热压压力为25-30MPa，热压时间为0.5-1h。
实施例1：
一种锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1200℃下熔化，磨粉，1000℃下烧结1h，得到粉末；
2）将45wt%的乙炔黑、55wt%的上步得到的粉末和5wt%的聚四氟乙烯混合于水中（水的质量是乙炔黑、上步得到的粉末、聚四氟乙烯三者质量的3倍），搅拌均匀，涂于镍网的两面，并将镍网夹在两块1mm的不锈钢板之间，压平，100℃下干燥8h，在200℃保护气氛Ar下烧结20min，得到空气正极；
3）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1400℃下熔化，磨粉，然后压平，在1000℃烧结1h，得到第一薄膜；
4）将25wt%的LiPF6、15wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第二薄膜；
5）将25wt%的LiPF6、15wt%的Li2O、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第三薄膜；
6）将第一薄膜夹在第二薄膜和第三薄膜之间，1000℃下热压至800-1000μm，得到固态电解质；
7）将空气正极与固态电解质的第二薄膜连接；
8）在金属锂负极的覆盖一层铝箔，再将金属锂负极另与固态电解质的第三薄膜连接；
9）组装正负电池外壳、密封圈、防水透气膜。
实施例2：
一种锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：
1）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1200℃下熔化，磨粉，1000℃下烧结1h，得到粉末；
2）将45wt%的乙炔黑、55wt%的上步得到的粉末和5wt%的聚环氧乙烷混合于水中（水的质量是乙炔黑、上步得到的粉末、聚环氧乙烷三者质量的3倍），搅拌均匀，涂于镍网的两面，并将镍网夹在两块1mm的不锈钢板之间，压平，100℃下干燥8h，在200℃保护气氛Ar下烧结20min，得到空气正极；
3）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1400℃下熔化，磨粉，然后压平，在1000℃烧结1h，得到第一薄膜；
4）将18wt%的LiClO4、12wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第二薄膜；
5）将18wt%的LiClO4、12wt%的Li2O、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第三薄膜；
6）将第一薄膜夹在第二薄膜和第三薄膜之间，1000℃下热压至800-1000μm，得到固态电解质；
7）将空气正极与固态电解质的第二薄膜连接；
8）在金属锂负极的覆盖一层铝箔，再将金属锂负极另与固态电解质的第三薄膜连接；
9）组装正负电池外壳、密封圈、防水透气膜。
如图1为本发明的电池的结构的截面示意图，该锂空气电池具有负极外壳4（塑料壳），在负极外壳4的内侧底面上形成铝箔6作为负极集流体，与负极导线2（1mm直径钢条）连接；在负极集流体上形成金属锂箔5作为负极层；由空气电极9作为正极层，并与正极导线1（1mm直径的铜条）连接；在负极层和正极层之间配置三层固态电解质；金属锂箔5与第三薄膜7贴合，空气正极9与第二薄膜13贴合，第一薄膜8位于第二薄膜13和第三薄膜7之间，该电池的负极外壳4外还设有正极外壳3（钢质外壳），该电池顶部设有防水透气膜10（唐纳森公司生产，该膜和钢质外壳相粘附）；负极外壳4和正极外壳3之间具有密封圈12（密封圈材料为哈尔滨精诚电池密封剂有限责任公司生产的M-11锂离子电池密封胶）。
电池的组装在充满氩气的无氧无水手套箱（MBRAUN，LabMater100，Germany）中进行。
如图2所示为实施例1的锂空气电池的充放电电压-时间曲线图。
Claims (1)
1.一种锂空气电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1200℃下熔化，磨粉，1000℃下烧结1h，得到粉末；
2）将45wt%的乙炔黑、55wt%的上步得到的粉末和5wt%的聚四氟乙烯混合于水中；水的质量是乙炔黑、上步得到的粉末、聚四氟乙烯三者质量的3倍，搅拌均匀，涂于镍网的两面，并将镍网夹在两块1mm的不锈钢板之间，压平，100℃下干燥8h，在200℃保护气氛Ar下烧结20min，得到空气正极；
3）将Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5按1:3:6:6的摩尔比混合，1400℃下熔化，磨粉，然后压平，在1000℃烧结1h，得到第一薄膜；
4）将25wt%的LiPF6、15wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第二薄膜；
5）将25wt%的LiPF6、15wt%的Li2O、余量的聚氧化乙烯混合，球磨，1000℃下热压至200-400μm，得到第三薄膜；
6）将第一薄膜夹在第二薄膜和第三薄膜之间，1000℃下热压至800-1000μm，得到固态电解质；
7）将空气正极与固态电解质的第二薄膜连接；
8）在金属锂负极的表面覆盖一层铝箔，再将金属锂负极与固态电解质的第三薄膜连接；
9）组装正负电池外壳、密封圈、防水透气膜。
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| A Solid-state,Rechargeable,long Cycle Life Lithium-Air Battery;Binod Kumar, et al.;《Journal of The Electrochemical Society》;20091113;第157卷(第1期);第A50页右栏最后一段至A52页右栏第2段，表1，图1 * |
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