CN104701588A - 一种基于高致密度固体电解质的新型锂空气电池 - Google Patents

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CN104701588A CN201510101345.0A CN201510101345A CN104701588A CN 104701588 A CN104701588 A CN 104701588A CN 201510101345 A CN201510101345 A CN 201510101345A CN 104701588 A CN104701588 A CN 104701588A
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赵宁
孙继杨
李忆秋
李泓
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Shanghai Institute of Ceramics of CAS
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Abstract

本发明涉及一种基于高致密度固体电解质的新型锂空气电池，所述锂空气电池包括负极、多孔氧电极、以及夹在负极和多孔氧电极之间的固态电解质层，其中，负极材质包括锂、锂合金和/或含金属锂的复合物，多孔氧电极采用多孔导电载体、催化剂、离子导体材料、锂盐和/或粘接剂均匀混合后干燥得到，固态电解质层的材质包括锂镧锆氧基陶瓷、锂镧钛氧基陶瓷、磷酸钛铝锂基陶瓷和/或硅磷酸锂基陶瓷。

Description

一种基于高致密度固体电解质的新型锂空气电池
技术领域
本发明涉及一种固态电解质体系的锂空气电池，属于电池领域。
背景技术
二次锂空气电池(Lithium-air battery)具有高出锂离子电池5-10倍的理论比能量，因而有望成为下一代高性能化学电源。二次锂空气电池一般采用金属锂或含锂材料作为负极,空气作为氧电极,以不含水的有机电解质或水与非水体系共存的非对称电解质、水系电解质或固体电解质作为工作电解质，电解质、电极也可以为流动相。其中，基于非水有机电解质体系的锂空气电池的理论能量密度高达3500Wh kg-1，受到工业和科研界的广泛关注。若将成功用于电动汽车电池且系统能量密度达到800Wh kg-1，则汽车一次充电可以行驶800km，可以达到目前燃油汽车水平。
然而,作为一种新的电池体系,能否成功应用需要综合考虑其能量密度,功率密度以及成本、安全性、能量效率、自放电、循环寿命、服役寿命、环境适应性、环境污染等诸多因素。而这些问题正是基于非水有机电解质体系的锂空气电池所面临且难以在现阶段克服的。因此锂空气电池的进步亟待发展新的电解质体系来解决这些困难。
发明内容
本发明目的在于针对目前基于非水有机电解质体系锂空气电池存在的上述问题，提出了一种新型固态电解质体系的锂空气电池。
本发明提供了一种锂空气电池，所述锂空气电池包括负极、多孔氧电极、以及夹在负极和多孔氧电极之间的固态电解质层，其中，负极材质包括锂、锂合金和/或含金属锂的复合物，多孔氧电极采用多孔导电载体、催化剂、离子导体材料、锂盐和/或粘接剂均匀混合后干燥得到，固态电解质层的材质包括锂镧锆氧基陶瓷、锂镧钛氧基陶瓷、磷酸钛铝锂基陶瓷和/或硅磷酸锂基陶瓷。
较佳地，锂合金中，锂的含量至少20wt％，锂合金还含有Mg、Ca、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb中的至少一种；
含金属锂的复合物含有至少20wt％的金属锂，还包含碳颗粒、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、石墨片、多孔金属、多孔碳、惰性氧化物和/或铜粉；
所述锂空气电池的氧气源包括纯氧、含有氧气的混合气体、自然存在的空气。
较佳地，多孔氧电极中，催化剂包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、Pt、Pd和/或Au，过渡金属氧化物优选氧化锰、氧化亚锰、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化钼和/或氧化铈，过渡金属氮化物优选氮化锰、氮化铁、氮化镍、氮化钛和/或氮化钴。
较佳地，多孔氧电极中，离子导体材料为锂镧锆氧基陶瓷粉体、锂镧钛氧基陶瓷粉体、磷酸钛铝锂基陶瓷粉体和/或硅磷酸锂基陶瓷粉体，粉体粒径为10nm-5μm。
较佳地，多孔氧电极中，锂盐选自LiNO3、Li2SO4、LiCl、Li2CO3、LiBOB、LiC(SO2CF3)3、Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、LiN(SO2CF3)2、LiFNFSI、LiCF3SO3中的至少一种。
较佳地，多孔氧电极中，粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、海藻酸钠、羧甲基纤维素中的至少一种。
较佳地，多孔氧电极中，孔导电载体包括多孔碳、乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂碳中的至少一种、和/或导电氧化物。
较佳地，固态电解质层的100nm-500μm。
较佳地，所述锂空气电池还包括封装负极、多孔氧电极、固态电解质层的电池封装材料，以及能够在工作温度使用的导电极耳、极柱。
较佳地，所述锂空气电池的工作温度为室温到250℃，优选工作温度为80-250℃，更优选工作温度为180-220℃。
本发明的有益效果：
1、该电池体系的氧电极直接面对空气、正极可稳定从空气中获取，不需要配备专门的高效过滤膜对空气进行过滤；
2、氧电极端界面得到优化：该电池的氧电极由活性物质、锂盐、导电添加剂和高温粘结剂复合混合后干燥制备而成。氧电极的制备过程相比于之前关于全固态电池的制备方法(一般是将固态电解质粉与活性物质混合后再在高温下进行烧结)，更加简单，节能环保；
3、负极端界面得到优化：该电池在200摄氏度下工作，负极金属锂为熔融态，即优化了金属锂和锂镧锆氧基陶瓷电解质片之间的界面问题，又解决了金属锂在有机电解质中存在的锂枝晶问题；
4、该电池体系在室温的干燥空气中放电时可以吸收空气中二氧化碳(CO2)作为氧电极反应活性物质，将其转化为碳酸锂，可作为一次电池使用。因此该电池体系除了可以作为未来的一种重要储能器件，还可以作为未来解决温室效应(减少大气中的二氧化碳含量)的潜在方案；
5、能量密度高：电池体系具有超过目前商业化钴酸锂电池将近5-10倍的比容量。室温下的放电比容量高达650mAh/g；在100摄氏度下，比容量高达1250mAh/g，并且此时的电池充电效率高达100％；在200摄氏度下，容量高达1400mAh/g，对应的能量密度为4000Wh/kg能量效率高：该体系的放电最终产物主要为碳酸锂，该电池在充电时碳酸锂可以大部分解，并且充放电之间的过电压差约为0.4V，对应的能量效率约为87.6％；
6、得益于氧电极和负极端与固态电解质界面的优化，该电池体系充放电倍率可达在50A/g(30C)条件下可逆容量为1730mAh/g。并且在限制容量500mAh/g的情况下保持容量不衰减地循环40次以上。
附图说明
图1为本发明一个实施方式中全固态锂空气电池的结构示意图，图中显示的是该器件各个部件的截面，其中，1-不锈钢槽，2-负极金属锂，3-锂镧锆氧基陶瓷电解质片，4-氧电极，5-高温封装材料；
图2为本发明实施例1中锂空气电池体系在不同温度下的首次充放电测试，其中纵坐标为电压，横坐标为比容量；
图3为本发明实施例1中锂空气电池体系的循环性能测试；
图4为本发明实施例1中锂空气电池体系的倍率性能测试；
图5为本发明实施例5中锂空气电池使用不同多孔氧电极材料的充放电曲线对比图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明目的在于针对目前基于非水有机电解质体系锂空气电池存在的上述问题，提出了一种新型固态电解质体系的锂空气电池。
本发明公开了一种新型大容量固态电解质体系的锂空气电池。该电池至少包括可提供锂的负极；能在室温至250℃的温度范围，在空气下直接工作的多孔氧电极；以及对锂稳定、能在室温至250℃温度范围内工作的固态电解质；以及能在250-500℃的电池封装材料；在室温至250℃工作的导电极耳或极柱组成；
本发明涉及的固态锂空气电池由多孔氧电极、负极以及介于两者之间的固态电解质，其中正极为自然空气，也可以是纯氧气或含氧气的混合气。氧电极为多孔碳与锂盐的复合材料，负极为金属锂，固态电解质为一种对金属锂稳定的高致密度薄膜状或薄片状的快锂离子导体材料。
本发明具有以下显著优点：金属锂负极由固态电解质完全保护而与空气完全隔开，避免了金属锂被空气腐蚀；由于固态电解质具有良好的的热稳定性，该电池具有较宽的使用温度(从室温至锂熔点180.5℃以上)；在室温下工作时(干燥空气气氛下)，该体系放电时吸收空气中的氧气和二氧化碳并将其转化为碳酸锂，可作为一次电池使用。随着温度的升高，放电产物碳酸锂可以在充电时被分解，因此该体系还可作为二次电池使用。
本发明提供了一种固态锂空气电池体系。该体系包括负极、氧电极以及电解质。其中负极为金属锂，采用与锂盐和高温粘结剂复合的多孔碳作为氧电极，正极为直接从空气中获取的并吸附于氧电极表面的氧气和二氧化碳。电解质采用一种对锂稳定的锂镧锆氧基陶瓷电解质片(快锂离子导体)。
其工作温度为室温到250℃,优选工作温度为80-250℃,再优选工作温度为180-220℃。
所述氧气的来源可以是纯氧，也可以是含有氧气的混合气体，也可以是自然存在的空气。
所述的固体电解质为致密薄膜状或薄片状材料，该材料为锂镧锆氧、锂镧钛氧、磷酸钛铝锂、硅磷酸锂等的一种或多种。固体电解质厚度为100nm-500μm。
所述的多孔氧电极至少包括多孔导电载体，催化剂，离子导体材料，锂盐，粘接剂。
所述的可提供金属锂的负极包括金属锂、锂合金(合金元素包括Mg，Ca,B,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Pb,Sb的一种或以上)、含金属锂的复合物的一种或几种。在可提供金属锂的负极中，锂的含量超过20wt％。
所述的含金属锂的复合物中至少含有20wt％的金属锂元素，复合物中还可以包括碳颗粒、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、石墨片、多孔金属、多孔碳、惰性氧化物、铜粉。
所述的多孔氧电极中的多孔导电载体，包括多孔碳、乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂的碳等一种或多种混合物，导电氧化物质(如一氧化钌RuO等)。
所述的多孔氧电极中的催化剂包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、Pt,Pd,Au及其合金等。过渡金属氧化物优选为氧化锰、氧化亚锰、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化钼、氧化铈；过渡金属氮化物包括氮化锰、氮化铁、氮化镍、氮化钛、氮化钴。
所述的离子导体材料为锂镧锆氧、锂镧钛氧、磷酸钛铝锂、硅磷酸锂等的一种或多种。固体电解质粉体颗粒尺寸为10nm-5μm。
所述的锂盐选自LiNO3、Li2SO4、LiCl、Li2CO3、LiBOB、LiC(SO2CF3)3、Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、LiN(SO2CF3)2、LiFNFSI、LiCF3SO3等的一种或几种。
所述的粘接剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯PTFE、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、海藻酸钠、羧甲基纤维素(CMC)等等的一种或几种。
所述的能在高温工作的固态锂空气电池，可以在规模储能、电动汽车、通讯基站、轨道交通等领域应用。
本发明的反应机理是
以金属锂为负极的全固态锂空气电池为例，2Li+O2+CO2←→Li2CO3  (1)
放电产物为沉积在氧电极表面的Li2CO3。在金属锂和固态电解质表面的界面上，锂离子和电子解离，锂离子穿过固态电解质到达氧电极表面，氧气在氧电极表面接受一个电子和锂离子结合成锂氧化合物，再和二氧化碳进一步结合成碳酸锂。充电时碳酸锂分解，反应时为上述反应的可逆过程。
该发明具有以下显著优点：
该电池体系的氧电极直接面对空气、正极可稳定从空气中获取，不需要配备专门的高效过滤膜对空气进行过滤；
氧电极端界面得到优化：该电池的氧电极由活性物质、锂盐、导电添加剂和高温粘结剂复合混合后干燥制备而成。氧电极的制备过程相比于之前关于全固态电池的制备方法(一般是将固态电解质粉与活性物质混合后再在高温下进行烧结)，更加简单，节能环保；
负极端界面得到优化：该电池在最佳工作温度180-220摄氏度下工作时，负极金属锂为熔融态，即优化了金属锂和锂镧锆氧基陶瓷电解质片之间的界面问题，又解决了金属锂在有机电解质中存在的锂枝晶问题；
该电池体系在室温的干燥空气中放电时可以吸收空气中二氧化碳(CO2)作为氧电极反应活性物质，将其转化为碳酸锂，可作为一次电池使用。其充放电曲线见图2中的黑色曲线。因此该电池体系除了可以作为未来的一种重要储能器件，还可以作为未来解决温室效应(减少大气中的二氧化碳含量)的潜在方案；
能量密度高：电池体系具有超过目前商业化钴酸锂电池将近5-10倍的比容量。室温下的放电比容量高达650mAh/g；在100摄氏度下，比容量高达1250mAh/g，并且此时的电池充电效率高达100％；在200摄氏度下，容量高达1400mAh/g，对应的能量密度为4000Wh/kg能量效率高：该体系的放电最终产物主要为碳酸锂，该电池在充电时碳酸锂可以大部分解，并且充放电之间的过电压差约为0.4V，对应的能量效率约为87.6％；
得益于氧电极和负极端与固态电解质界面的优化，该电池体系充放电倍率可达在50A/g(30C)条件下可逆容量为1730mAh/g。并且在限制容量500mAh/g的情况下保持容量不衰减地循环40次以上。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与图1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层：使用高致密度的陶瓷电解质片作为既可以传输锂离子又可以保护金属锂的电解质层，所述的固体电解质为致密薄膜状或薄片状材料，该材料为锂镧锆氧、锂镧钛氧、磷酸钛铝锂、硅磷酸锂等的一种或多种。固体电解质厚度为100nm-500μm；
氧电极：将炭黑、锂盐、锂镧锆氧粉(10nm-5μm)和粘结剂以重量百分比4:4:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极：将涂覆氧电极后的陶瓷电解质置于Ar气氛手套箱中，然后将负极金属锂压附在陶瓷电解质片的另一边。然后使用高温封装材料将陶瓷电解质贴有锂片的一端密封在不锈钢壳体的槽上，装配成图1中描述的电池。然后将该电池在室温(25℃)、60℃、100℃和200℃下进行测试；
正极：所述的空气正极可以是纯氧，也可以是含有氧气的混合气体，也可以是自然存在的空气；
图2为本发明固态电解质体系的锂空气电池典型的充放电测试曲线图，结果列于表1。其中纵坐标为电压单位；横坐标为比容量；
本实施例循环性能测试见图3，具体数据列于表1中；
本实施例倍率性能测试见图4，具体数据列于表1中。
实施例2
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极制备步骤同实例1；
负极：使用可提供金属锂的金属锂合金化合物作为负极，包括金属锂、锂合金(合金元素包括Mg，Ca,B,Al,Ga,In,Si,Ge,Sn,Pb,Sb的一种或以上)、含金属锂的复合物的一种或几种。在可提供金属锂的负极中，锂的含量超过20wt％。与将涂覆氧电极后的陶瓷电解质置于Ar气氛手套箱中，然后将负极锂合金压附在陶瓷电解质片的另一边。然后使用高温封装材料将陶瓷电解质贴有锂片的一端密封在不锈钢壳体的槽上，装配成图1中描述的电池。然后将该电池在室温(25℃)、60℃、100℃和200℃下进行测试；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
实施例3
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极制备步骤同实例1；
负极：使用可提供金属锂的含金属锂的复合物，其中锂含量至少大于20wt％。复合物中可以包括碳颗粒、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、石墨片、多孔金属、多孔碳、惰性氧化物、铜粉。将涂覆氧电极后的陶瓷电解质置于Ar气氛手套箱中，负极为含金属锂的复合物，(其中锂含量大于20％)，将其压附在陶瓷电解质片的另一边。然后使用高温封装材料将陶瓷电解质贴有锂片的一端密封在不锈钢壳体的槽上，装配成图1中描述的电池。然后将该电池在室温(25℃)、60℃、100℃和200℃下进行测试；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
实施例4
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极：使用可以构建氧电极内部导电网络的材料作为多孔导电载体，包括多孔碳，乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂的碳等一种或多种混合物，导电氧化物。将多孔导电载体、锂盐、锂镧锆氧粉(10nm-5μm)和粘结剂以重量百分比4:4:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极制备方法同实例2；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
实施例5
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极：添加催化剂到复合多孔氧电极中。其中催化剂材料包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、Pt,Pd,Au及其合金等。过渡金属氧化物优选为氧化锰、氧化亚锰、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化钼、氧化铈；过渡金属氮化物包括氮化锰、氮化铁、氮化镍、氮化钛、氮化钴。将催化剂材料、多孔导电载体材料、锂盐、锂镧锆氧粉(10nm-5μm)和粘结剂以重量百分比4:2:2:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极制备方法同实例2；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试曲线见图5，具体数据列于表1中。
实施例6
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极：使用可以在复合氧电极中构建锂离子传输网络的快锂离子导体作为离子导体材料，包括锂镧锆氧、锂镧钛氧、磷酸钛铝锂、硅磷酸锂等的一种或多种。固体电解质粉体颗粒尺寸为10nm-5μm。将催化剂、炭黑、锂盐、锂离子导体材料和粘结剂以重量百分比4:2:2:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极制备方法同实例2；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
实施例7
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极：使用可以优化复合氧电极中锂离子在界面上传输的锂盐添加到复合氧电极中，所述的锂盐选自LiNO3、Li2SO4、LiCl、Li2CO3、LiBOB、LiC(SO2CF3)3、Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、LiN(SO2CF3)2、LiFNFSI、LiCF3SO3等的一种或几种。将炭黑、锂盐(LiX)、固体电解质粉和粘结剂以重量百分比4:4:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到锂镧锆氧基陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极制备方法同实例2；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
实施例8
一种新型高能量密度高功率密度的固态锂空气电池体系，装置的结构与实施例1相同，采用的固态电解质层4、氧电极5、负极2及具体如下：
固态电解质层同实施例1；
氧电极：使用可将复合电极组成材料粘附到陶瓷电解质片上的粘结剂添加到复合氧电极中，所述的粘接剂包括聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、海藻酸钠、羧甲基纤维素(CMC)等等的一种或几种。将炭黑、锂盐Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、锂镧锆氧粉(10nm-5μm)和粘结剂以重量百分比4:4:1:1称取，以N甲基吡咯烷酮为分散剂，将其搅拌混合均匀，通过用刮刀涂覆的方法把浆料涂覆到锂镧锆氧基陶瓷电解质片上，固体电解质厚度为100nm-500μm。然后将涂覆于电解质片上的氧电极置于120℃保温1小时，将溶剂挥发掉的同时使粘结剂固化；
负极制备方法同实例2；
正极同实例1所述气体；
本实施例充放电测试数据列于表1中。
本发明具有以下显著的优点：
(1)高能量密度
从图2可以看出，就活性物质本身的能量密度而言，固态锂空气电池体系远远高于传统锂离子电池的氧电极材料。此外，因为该电池吸收空气中的二氧化碳作为氧电极，因此该电池在解决能源危机的同时，可能是未来解决温室效应的一个有效途径；
(2)高功率密度
传统的固态电池由于受到锂离子传输限制，尤其在温度较低时离子电导也较低的情况下，导致传统固态电池的动力学性能很差。由于采用高达180-250℃的测试温度，固态电解质中的锂离子电导率接近1S/cm-1,比液态电池中的锂离子在液态溶剂中的电导率还高。另外200摄氏度的温度下负极金属锂已处于熔融态，因此金属锂和固态电解质的界面得到大大改善。并且氧电极端因为采用锂盐(例如LiNO3、Li2SO4、LiCl、Li2CO3、LiBOB、LiC(SO2CF3)3、Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、LiN(SO2CF3)2、LiFNFSI、LiCF3SO3等的一种或几种作为辅助电解质)，锂离子在氧电极端的界面传输困难也在一定程度上被克服。以上三点使得电池动力学特性大大增强，电池在大倍率充放电性能良好。如图2所呈现的，电池可以在室温到250℃的温度范围内工作；
(3)高安全性
由于此种体系实现了锂负极的完全密封，即使在高于金属锂熔点锂融化了的情况下也不会有锂漏出，再加上氧化物固态电解质本身具有高热稳定性和高抗腐蚀性，大大地提高了体系工作过程中的安全性能；
(4)较宽的使用温度范围
由于该电池在室温下可以作为一次电池，在100-200℃的时候可以作为二次电池，并且随着温度的升高，电池的能量效率也提高，使得该电池体系具有较好的高低温性能。
表1 固态锂-空气电池各部分组成对应实施例及对应模拟电池的电化学性能

Claims (10)

1.一种锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池包括负极、多孔氧电极、以及夹在负极和多孔氧电极之间的固态电解质层，其中，负极材质包括锂、锂合金和/或含金属锂的复合物，多孔氧电极采用多孔导电载体、催化剂、离子导体材料、锂盐和/或粘接剂均匀混合后干燥得到，固态电解质层的材质包括锂镧锆氧基陶瓷、锂镧钛氧基陶瓷、磷酸钛铝锂基陶瓷和/或硅磷酸锂基陶瓷。
2.根据权利要求1所述的锂空气电池，其特征在于，锂合金中，锂的含量至少20 wt%，锂合金还含有Mg、Ca、 B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb中的至少一种；
含金属锂的复合物含有至少20 wt%的金属锂，还包含碳颗粒、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、石墨片、多孔金属、多孔碳、惰性氧化物和/或铜粉；
所述锂空气电池的氧气源包括纯氧、含有氧气的混合气体、自然存在的空气。
3.根据权利要求1或2所述的锂空气电池，其特征在于，多孔氧电极中，催化剂包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、Pt、Pd和/或Au，过渡金属氧化物优选氧化锰、氧化亚锰、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化钌、氧化铱、氧化钼和/或氧化铈，过渡金属氮化物优选氮化锰、氮化铁、氮化镍、氮化钛和/或氮化钴。
4.根据权利要求1-3中任一所述的锂空气电池，其特征在于，多孔氧电极中，离子导体材料为锂镧锆氧基陶瓷粉体、锂镧钛氧基陶瓷粉体、磷酸钛铝锂基陶瓷粉体和/或硅磷酸锂基陶瓷粉体，粉体粒径为10 nm-5μm。
5.根据权利要求1-4中任一所述的锂空气电池，其特征在于，多孔氧电极中，锂盐选自LiNO3、Li2SO4、LiCl、Li2CO3、LiBOB、LiC(SO2CF3)3、Li[(FSO2)(n-C4F9SO2)N]、LiN(SO2CF3)2、LiFNFSI、LiCF3SO3中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一所述的锂空气电池，其特征在于，多孔氧电极中，粘接剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、海藻酸钠、羧甲基纤维素中的至少一种。
7.根据权利要求1-6中任一所述的锂空气电池，其特征在于，多孔氧电极中，孔导电载体包括多孔碳、乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维、氮掺杂的碳中的至少一种、和/或导电氧化物。
8.根据权利要求1-7中任一所述的锂空气电池，其特征在于，固态电解质层的100nm-500μm。
9.根据权利要求1-8中任一所述的锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池还包括封装负极、多孔氧电极、固态电解质层的电池封装材料，以及能够在工作温度使用的导电极耳、极柱。
10.根据权利要求1-9中任一所述的锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池的工作温度为室温到250℃，优选工作温度为80-250℃，更优选工作温度为180-220℃。
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