CN103904386A - 一种软包锂空气电池及其制作方法 - Google Patents

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王芳
张政达
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

本发明公开了一种软包锂空气电池及其制作方法,该电池容量大、循环性能良好、能量密度高。所述软包锂空气电池包括封装材料和电芯;所述封装材料的一侧设置有孔洞,孔洞上覆有选择透过膜;所述电芯自负极依次设置有负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体;所述隔膜吸附有电解质溶液;所述负极集流体和正极集流体上分别粘附有极耳。本发明方法制作工艺简单,成本低廉,具有广泛的应用。

Description

一种软包锂空气电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及锂空气电池领域,尤其涉及一种软包锂空气电池及其制作方法。
背景技术
锂空气电池的能量密度达11.14kWh/kg,相当于在2.5V下放电有4456mAh/g的比容量。其工作原理为:负极为锂片,其密度为0.534g/cm3,显著低于锂离子电池所使用密度为2.1g/cm3的LiFePO4电极;氧气作为正极活性物质,来源于环境空气,可省去电池本身正极材料的添加,只需提供电池放电产物的多孔载体。故在同体积下,锂空气电池要比锂离子电池更轻,比能量更大。
汽车用锂空气电池的设计必须满足三个条件:(1)适用于高体积,低成本的制作和装配;(2)最小化质量和体积,最大化能量和功率密度;(3)在空气中能有效地运作。其中第三个标准可能是锂空气汽车应用中最具挑战性的,但质子交换膜燃料电池的经验表明,空气是唯一在车辆氧化剂源的选择,而纯氧难以有效地存储和补给,此外,空气中氧气的纯化还需要其他功率支撑。目前尚没有一种能满是上述要求的锂空气电池。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提供一种能在空气中有效运作,且电池容量大,电阻小的软包锂空气电池,本发明还提供所述软包锂空气电池的制作方法。
本发明所采用的技术方案是提供一种软包锂空气电池,所述软包锂空气电池包括封装材料和电芯;所述封装材料的一侧设置有孔洞,孔洞上覆有选择透过膜;所述电芯自负极依次设置有负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体;所述隔膜吸附有电解质溶液;所述负极集流体和正极集流体上分布粘附有极耳。
本发明还提供一种制作所述软包锂空气电池的方法,包括如下步骤:
材料准备:根据所需大小裁切材料,所述材料包括隔膜、集流体、电极;在所述集流体上粘附极耳;将封装材料制成袋状,在其中一面开若干数量孔洞,开孔处用选择透过将其覆盖,并密封边缘;制备空气电极;
组装:按照负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体的顺序依次组装,分别稳固四周,获得固定好的电芯;所述隔膜吸附有电解质溶液;
封装:将所述电芯放入所述袋状封装材料中,所述空气电极层朝向封装材料设置有孔洞一侧,密封外封装材料,制得软包锂空气电池。
本发明的有益效果在于:公开了一种工艺简单、成本低廉的锂空气电池的制作方法,具有广泛的应用价值;所制得电池能在空气中有效运作,且电池容量大、电流高、循环性能良好、能量密度高。
附图说明
图1是本发明实施例软包锂空气电池的结构示意图;
图2是本发明实施例软包锂空气电池的电压-比容量测试曲线图;
图3是本发明实施例软锂空气电池的交流阻抗测试曲线图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明实施例提供一种软包锂空气电池,包括封装材料1和电芯;所述封装材料1的一侧设置有孔洞,孔洞上覆有选择透过膜2;所述电芯自正极依次设置有正极集流体3、空气电极4、隔膜5、金属电极6、负极集流体7;所述隔膜5吸附有电解质溶液;所述负极集流体7和正极集流体3上分别粘附有极耳8。
具体地,本实施例的封装材料1所采用的是厚度在80~160μm之间面积为80*160mm2的铝塑膜,可冲坑深度3~6mm。将外封装材料制成袋状,在其中一面打若干数量孔洞(约4mm2),开孔处用选择透过膜将其覆盖,并密封疏水膜边缘。选择透过膜具有疏水透氧功能,可高效提供电池反应所需氧气,同时提高安全性,本发明选择透过膜优选聚偏氟乙烯(PVDF)疏水膜。所述PVDF膜也将被使用于电池外包装的重要组成材料。
隔膜5为聚丙烯、聚乙烯或玻璃纤维滤纸,为提高电池安全性,隔膜优选在使用前进行烘干处理;本实施例将隔膜裁出52.5×50.5mm2大小,于100℃烘干6h。隔膜5吸附有电解质溶液,电解质溶液包括有机溶剂和锂盐,其中有机溶剂选自二甲基亚砜、环丁砜、碳酸二甲酯或四乙醇二甲醚中的至少一种;锂盐选自LiClO4、LiCF3SO3或LiTFSI中的至少一种。电解质溶液优选浓度为1mol/L的(二(三氟甲基磺酰)亚胺锂)LiTFSI的环丁砜溶液,环丁砜电解液体系具有抗较高电压、电介质常数高、化学性质稳定等优点。
软包锂空气电池的正负极分别为金属电极6(负极)和空气电极4(正极)。空气电极包含氧催化剂、碳纤维纸、多孔导电碳、粘结剂。具体地,氧催化剂为二氧化锰;多孔导电碳为KB碳、Super P或碳纳米管;粘结剂为PTFE、PVDF或HFP。所述金属锂负极片的纯度在99.9%以上。正负极片周侧分别对应设置有正极集流体3和负极集流体7,所述负极集流体和正极集流体的规格为100~300目,其材料为不锈钢网、磷铜网、黄铜网、紫铜网或镍网。两种集流体的材质可相同或不同,集流体上均附有极耳,极耳采用镍或铝的材质,配于黄胶或白胶,经过高温相互黏合而成。
本实施例软包锂空气电池的方法,包括如下步骤:
材料准备:根据所需大小裁切材料,所述材料包括隔膜、集流体、电极;在所述集流体上粘附极耳;将封装材料制成袋状,在其中一面开若干数量孔洞,开孔处用选择透过将其覆盖,并密封边缘;制备空气电极;
组装:按照负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体的顺序依次组装,分别稳固四周,获得固定好的电芯;所述隔膜吸附有电解质溶液;
封装:将所述电芯放入所述袋状封装材料中,所述空气电极层朝向封装材料设置有孔洞一侧,密封外封装材料,制得软包锂空气电池。
上述制作过程优选在水和氧气的含量均小于0.5ppm的环境中进行,优选在手套箱中进行。
封装材料、隔膜、集流体等材料裁切好后可进一步烘干去除水分,提高电池安全性。
将固定好的电芯小心放入制好的袋状外封装材料后,空气电极层朝打孔一侧并对准孔洞中心,抽真空,热封最后一侧外封装材料,并压牢,完成电池组装,封装好的软包锂空气电池优选静置于手套箱内陈化6~12h。
本发明所制备软包锂空气电池的电池容量高,循环性能良好、能量密度高;制作工艺简单、成本低廉、具有广泛的应用。以下通过测试实验进一步解释本发明。
实验例1电压-比容量测试
将所制备软包锂空气电池放入装有适量变色硅胶与石灰粉的盒子里进行电化学性能测试,电池设置一定的充放电电流或充放电电压范围,记录并分析数据,得出结论。恒流充放电测试表明,在电流大小为4.0mA,控制比容量为370mAh/g时,在电压范围为1.5~5.0V内,获得了33次的稳定循环。证实了该工艺下电池能正常循环,即证实了该工艺在锂空气电池领域的可行性。
实验例2交流阻抗测试
将所制备软包锂空气电池放入电化学工作站,进行交流阻抗测试,开路电压为3.0V,扫描频率范围10-2~105Hz,记录时间间隔2s,测试表明该软包电池交流电阻仅为23Ω,明显低于常规锂离子电池,这使得该工艺下的电池能较大电流充放电,并保持较高的电压值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软包锂空气电池,其特征在于,所述软包锂空气电池包括封装材料和电芯;所述封装材料的一侧设置有孔洞,孔洞上覆有选择透过膜;所述电芯自负极依次设置有负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体;所述隔膜吸附有电解质溶液;所述负极集流体和正极集流体上分别粘附有极耳。
2.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述电解质溶液包括有机溶剂和锂盐,所述有机溶剂选自二甲基亚砜、环丁砜、碳酸二甲酯或四乙醇二甲醚中的至少一种;所述锂盐选自LiClO4、LiCF3SO3或LiTFSI中的至少一种;所述电解质溶液的浓度为1M。
3.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述空气电极包含氧催化剂、碳纤维纸、多孔导电碳、粘结剂。
4.如权利要求3所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述氧催化剂为二氧化锰;所述多孔导电碳为KB碳、Super P或碳纳米管;所述粘结剂为PTFE、PVDF或HFP。
5.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述隔膜为聚丙烯、聚乙烯或玻璃纤维滤纸。
6.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述选择透过膜为PVDF膜。
7.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述负极集流体和正极集流体的规格为100~300目,其材料为不锈钢网、磷铜网、黄铜网、紫铜网或镍网。
8.如权利要求1所述的软包锂空气电池,其特征在于,所述封装材料为厚度80~160μm的铝塑膜;可冲坑深度为3~6mm。
9.一种制作权利要求1~8任一项所述的软包锂空气电池的方法,其特征在于,包括如下步骤:
材料准备:根据所需大小裁切材料,所述材料包括隔膜、集流体、电极;在所述集流体上粘附极耳;将封装材料制成袋状,在其中一面开若干数量孔洞,开孔处用选择透过膜将其覆盖,并密封边缘;制备空气电极;将电解质溶液吸附于所述隔膜;
组装:按照负极集流体、金属电极、隔膜、空气电极、正极集流体的顺序依次组装,分别稳固四周,获得固定好的电芯;
封装:将所述电芯放入所述袋状封装材料中,所述空气电极层朝向封装材料设置有孔洞一侧,密封外封装材料,制得软包锂空气电池。
10.如权利要求9所述软包锂空气电池的制作方法,其特征在于,所述方法还包括将封装好的软包锂空气电池陈化6~12h。
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