CN104900943B - 一种插控式凝胶电解质锂空电堆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体，所述锂空电堆壳体底部交替开设有多组正极卡槽和负极卡槽，所述正极卡槽内插装有电池正极，所述电池正极是由带有不锈钢气体腔室和插装在气体腔室一侧的扩散电极卡槽上的扩散电极组成，所述负极卡槽内插装有电池负极，所述锂空电堆壳体内充装有凝胶聚合物电解质；制备锂空电堆的电池正极和负极并配制锂空电堆的电解质凝胶聚合物电解质，将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右向负极卡槽、正极卡槽依次插装电池负极、电池正极，组装插控式凝胶电解质锂空电堆。优点是：该锂空电堆可以对失效电极进行适时更换，电解液性能稳定，使得锂空电堆可以连续工作，从而延长了电堆的使用寿命。

Description

一种插控式凝胶电解质锂空电堆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种插控式凝胶电解质锂空电堆及其制备方法。
背景技术
锂空电池是一种用金属锂作为负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池，将多个单体电池串联或并联在一起，便构成了电池组，也叫电堆。其中，每个单体电池放电过程：阳极的金属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，锂空电池的开路电压约为2.9V。
锂空电堆单体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。由于氧气作为电池阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能量为5,210Wh/kg(包括氧气质量)，相对与其他的金属-空气电池，锂空电池具有更高的比能量。因此，锂空电堆以其具有较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。
目前，锂空电堆单体电池电解液的溶剂一般为有机溶剂，在电池放电过程中，由于有机溶剂易挥发，电解液的溶质干涸而失去放电能力，随着放电的长时间进行，而导致放电终止，影响锂空电堆的使用寿命。此外，锂空电堆在长时间运行过程中，会造成单体电池的负极腐蚀或正极孔径堵塞，最终导致放电终止电堆失效，影响电堆的正常运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种插控式凝胶电解质锂空电堆及其制备方法，该锂空电堆可对失效电极进行适时更换，电解液性能稳定，从而保证锂空电堆的使用寿命。
本发明的技术解决方案是：
一种插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体，其特殊之处在于：所述锂空电堆壳体底部交替开设有多组正极卡槽和负极卡槽，所述正极卡槽内插装有电池正极，所述电池正极是由带有不锈钢气体腔室和插装在气体腔室一侧的扩散电极卡槽上的扩散电极组成，所述负极卡槽内插装有电池负极，所述锂空电堆壳体内充装有凝胶聚合物电解质；
其具体制备步骤如下：
1、制备锂空电堆的电池正极
将石墨烯和电解二氧化锰加入到有机溶剂中配制的混合物涂覆到泡沫镍上制得扩散电极，嵌入到充满空气的不锈钢气体腔室一侧的扩散电极卡槽上；
2、制备锂空电堆的电池负极
将经憎水处理的金属锂片和“凸”型集流体镍网压制成电池负极；
3、配制锂空电堆的电解质
3.1、配制电解质溶液
按照重量份数计，将3份～6份LiPF6溶于7份～15份碳酸乙烯酯中，充分溶解，再向其中加入0.2份～0.5份螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合均匀，超声波功率为300W～600W，超声波时间为1h～3h，得到电解质溶液；
3.2、配制聚合物溶液
按照重量份数计，称取0.2份～0.5份聚合物溶于1.0份～2.0份聚合交联剂中，在超声波辅助条件下混合均匀，超声波功率为500W～1000W，超声波时间为6h～12h，得到聚合物溶液；所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化乙烯(PEO)或聚丙烯酸(PAA)；所述聚合物交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯或甲基丙烯酸羟丙酯；
3.3、配制凝胶聚合物电解质
将步骤3.1配制的电解质溶液加入到步骤3.2配制的聚合物溶液中，搅拌均匀后，静置30min～120min，过滤除去固体沉淀物质，保留滤液；按照重量份数计，向滤液中加入0.5份～1份过硫酸盐溶液作为引发剂，所述过硫酸盐为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵，搅拌均匀，得到凝胶聚合物电解质；
4.组装插控式凝胶电解质锂空电堆
将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右，向负极卡槽、正极卡槽依次插装步骤2制备的电池负极、步骤1制备的电池正极，室温下静置3min～10min，组装成插控式凝胶电解质锂空电堆。
制备锂空电堆的电池正极时，所述扩散电极的厚度为0.3mm～0.5mm，所述电池正极的气体腔室的厚度为2.0mm～5.0mm。
制备锂空电堆的电池负极时，所述金属锂片的厚度为0.1mm～0.5mm，所述集流体镍网的厚度为0.1mm～0.3mm。
组装插控式凝胶电解质锂空电堆时，每组单体电池的电池正极与电池负极之间的间距为0.5mm～2.0mm。
步骤1中所述有机溶剂为异丙醇或乙醇。
步骤1中所述石墨烯与电解二氧化锰的质量比为3:1～5:1，所述石墨烯和电解二氧化锰总质量与有机溶剂的质量比为1:20。
所述过硫酸盐溶液的质量浓度为3％～8％。
所述泡沫镍的厚度为0.1mm～0.5mm。
所述锂空电堆壳体底部开设的正极卡槽和负极卡槽为3组～5组。
所述过硫酸盐溶液为饱和过硫酸盐溶液。
本发明的有益效果：
(1)、该凝胶聚合物电解质性能稳定，既有全固态聚合物电解质良好的安全性，又与有机溶剂电解液有相近的离子电导率，并且具有与电极材料间的反应活性低、质量轻、易成薄膜、黏弹性好的特点；因此，采用该凝胶聚合物电解质的锂空电堆可以制成各种形状，并具有耐压、耐冲击、生产成本低和易于加工使用的优点。
(2)、以凝胶聚合物电解电解质为锂空电堆电解质，采用电池正极和电池负极插装结构，结构合理，并可电堆结构可以根据具体工况，对电极进行适时更换，保证电堆的正常运行，使得锂空电堆可以连续工作，从而延长了电堆的使用寿命，该锂空电堆首次放电容量≥1650mAh/g，循环次数大于45次，连续工作时间超过60天。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明的锂空电堆壳体的俯视图。
图中：1-锂空电堆壳体，101-正极卡槽，102-负极卡槽，2-电池负极，201-金属锂片，202-集流体镍网，3-电池正极，301-气体腔室，301A-扩散电极卡槽，302-扩散电极。
具体实施方式
实施例1
如图所示，该插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体1，所述锂空电堆壳体1底部交替开设有3组～5组正极卡槽101和负极卡槽102，本实施例以三组正极卡槽101和负极卡槽102为例，所述正极卡槽101内插装有电池正极3，所述电池正极3是由带有不锈钢气体腔室301和插装在气体腔室301一侧的扩散电极卡槽301A上的扩散电极302组成，所述负极卡槽102内插装有电池负极2，所述锂空电堆壳体1内充装有凝胶聚合物电解质；
其具体制备步骤如下：
1、制备锂空电堆的电池正极
将3g石墨烯和1g电解二氧化锰加入到80g异丙醇有机溶剂中配制的混合物涂覆到厚度为0.1mm的泡沫镍上制得厚度为0.3mm的扩散电极，将扩散电极302嵌入到充满空气的不锈钢气体腔室301一侧扩散电极卡槽301A上；其中，电池正极3的气体腔室301的厚度(以电池正极厚度方向为标准)为2.0mm；
2、制备锂空电堆的电池负极
将经憎水处理的厚度为0.1mm的金属锂片201和厚度为0.1mm的“凸”型集流体镍网202压制成电池负极2；
3、配制锂空电堆的电解质
3.1、配制电解质溶液
将3g LiPF6溶于15g碳酸乙烯酯中，充分溶解，再向其中加入0.2g螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合溶液超声至澄清，超声波功率为300W，超声波时间为3h，得到电解质溶液；
3.2、配制聚合物溶液
称取0.2g甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于2.0g N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)中，在超声波辅助条件下混合至固体物质溶解充分，超声波功率为500W，超声波时间为12h，得到聚合物溶液；
3.3、配制凝胶聚合物电解质
将步骤3.1配制的电解质溶液加入到步骤3.2配制的聚合物溶液中，搅拌均匀后，静置30min，过滤除去固体沉淀物质得到均一澄清的滤液；向滤液中加入0.5g浓度为8wt％的过硫酸铵溶液作为引发剂，搅拌均匀，得到凝胶聚合物电解质；
4.组装插控式凝胶电解质锂空电堆
将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右，依次将步骤2制备的电池负极2、步骤1制备的电池正极3相应的插入负极卡槽101、正极卡槽102中，其中，每组单体电池的电池正极3与电池负极2之间的间距为0.5mm；室温下静置3min，组装成插控式凝胶电解质锂空电堆；该电堆的电化学性能如表1所示。
相关检测：将步骤3.3配制的凝胶聚合物电解质倒入表面皿中，室温下静置3min可观察到玻璃皿内的溶液逐渐固化，即为所需凝胶聚合物电解质，得到凝胶聚合物极易从玻璃容器中剥离；该凝胶聚合物电解质具有良好的定型能力和机械强度，无需侧向支撑即可独立放置在玻璃基底上，电解质表面无液态电解质析出；置于N2环境中48h质量损失0.95％，仅为水分蒸发损失的质量。
实施例2
如图所示，该插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体1，所述锂空电堆壳体1底部交替开设有3组～5组正极卡槽101和负极卡槽102，本实施例以三组正极卡槽101和负极卡槽102为例，所述正极卡槽101内插装有电池正极3，所述电池正极3是由带有不锈钢气体腔室301和插装在气体腔室301一侧的扩散电极卡槽301A上的扩散电极302组成，所述负极卡槽102内插装有电池负极2，所述锂空电堆壳体1内充装有凝胶聚合物电解质；
其具体制备步骤如下：
1、制备锂空电堆的电池正极
将5g石墨烯和1g电解二氧化锰加入到120g乙醇有机溶剂中配制的混合物涂覆到厚度为0.5mm的泡沫镍上制得厚度为0.5mm的扩散电极，将扩散电极302嵌入到充满空气的不锈钢气体腔室301一侧扩散电极卡槽301A上；其中，电池正极3的气体腔室301的厚度为5.0mm；
2、制备锂空电堆的电池负极
将经憎水处理的厚度为0.5mm的金属锂片201和厚度为0.3mm的“凸”型集流体镍网202压制成电池负极2；
3、配制锂空电堆的电解质
3.1、配制电解质溶液
将6g LiPF6溶于7g碳酸乙烯酯中，充分溶解，再向其中加入0.5g螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合溶液超声至澄清，超声波功率为600W，超声波时间为1h，得到电解质溶液；
3.2、配制聚合物溶液
称取0.5g聚氧化乙烯(PEO)溶于1.0g二甲基丙烯酸乙二醇酯中，在超声波辅助条件下混合至固体物质溶解充分，超声波功率为1000W，超声波时间为6h，得到聚合物溶液；
3.3、配制凝胶聚合物电解质
将步骤3.1配制的电解质溶液加入到步骤3.2配制的聚合物溶液中，搅拌均匀后，静置120min，过滤除去固体沉淀物质得到均一澄清的滤液；向滤液中加入1g浓度为3wt％的过硫酸钠溶液作为引发剂，搅拌均匀，得到凝胶聚合物电解质；
4.组装插控式凝胶电解质锂空电堆
将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右，向正极卡槽101、依次将步骤2制备的电池负极2、步骤1制备的电池正极3相应的插入负极卡槽101、正极卡槽102中，其中，每组单体电池的电池正极3与电池负极2之间的间距为2.0mm；室温下静置10min，组装成插控式凝胶电解质锂空电堆；该电堆的电化学性能如表1所示。
相关检测：将步骤3.3配制的凝胶聚合物电解质倒入表面皿中，室温下静置10min可观察到玻璃皿内的溶液逐渐固化，即为所需凝胶聚合物电解质，得到凝胶聚合物极易从玻璃容器中剥离；该凝胶聚合物电解质具有良好的定型能力和机械强度，无需侧向支撑即可独立放置在玻璃基底上，电解质表面无液态电解质析出；置于N2环境中48h质量损失1.02％，仅为水分蒸发损失的质量。
实施例3
如图所示，该插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体1，所述锂空电堆壳体1底部交替开设有3组～5组正极卡槽101和负极卡槽102，本实施例以三组正极卡槽101和负极卡槽102为例，所述正极卡槽101内插装有电池正极3，所述电池正极3是由带有不锈钢气体腔室301和插装在气体腔室301一侧的扩散电极卡槽301A上的扩散电极302组成，所述负极卡槽102内插装有电池负极2，所述锂空电堆壳体1内充装有凝胶聚合物电解质；
其具体制备步骤如下：
1、制备锂空电堆的电池正极
将4g石墨烯和1g电解二氧化锰加入到100g异丙醇有机溶剂中配制的混合物涂覆到厚度为0.3mm的泡沫镍上制得厚度为0.4mm的扩散电极，将扩散电极302嵌入到充满空气的不锈钢气体腔室301一侧扩散电极卡槽301A上；所述电池正极3的气体腔室301的厚度为3.0mm；
2、制备锂空电堆的电池负极
将经憎水处理的厚度为0.3mm的金属锂片201和厚度为0.2mm的“凸”型集流体镍网202压制成电池负极2；
3、配制锂空电堆的电解质
3.1、配制电解质溶液
将4g LiPF6溶于10g碳酸乙烯酯中，充分溶解，再向其中加入0.3g螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合溶液超声至澄清，超声波功率为400W，超声波时间为2h，得到电解质溶液；
3.2、配制聚合物溶液
称取0.3g聚丙烯酸(PAA)溶于1.5g甲基丙烯酸羟丙酯中，在超声波辅助条件下混合至固体物质溶解充分，超声波功率为800W，超声波时间为8h，得到聚合物溶液；
3.3、配制凝胶聚合物电解质
将步骤3.1配制的电解质溶液加入到步骤3.2配制的聚合物溶液中，搅拌均匀后，静置60min，过滤除去固体沉淀物质得到均一澄清的滤液；向滤液中加入0.8g浓度为5wt％的过硫酸钾溶液作为引发剂，搅拌均匀，得到凝胶聚合物电解质；
4.组装插控式凝胶电解质锂空电堆
将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右，依次将步骤2制备的电池负极2、步骤1制备的电池正极3相应的插入负极卡槽101、正极卡槽102中，其中，每组单体电池的电池正极3与电池负极2之间的间距为1.0mm；室温下静置5min，组装成插控式凝胶电解质锂空电堆；该电堆的电化学性能如表1所示。
相关检测：将步骤3.3配制的凝胶聚合物电解质倒入表面皿中，室温下静置5min可观察到玻璃皿内的溶液逐渐固化，即为所需凝胶聚合物电解质，得到凝胶聚合物极易从玻璃容器中剥离；该凝胶聚合物电解质具有良好的定型能力和机械强度，无需侧向支撑即可独立放置在玻璃基底上，电解质表面无液态电解质析出；置于N2环境中48h质量损失1％，仅为水分蒸发损失的质量。
表1本发明实施例1～实施例3的电堆的电化学性能

Claims (10)

1.一种插控式凝胶电解质锂空电堆，包括锂空电堆壳体，其特征是：所述锂空电堆壳体底部交替开设有多组正极卡槽和负极卡槽，所述正极卡槽内插装有电池正极，所述电池正极是由带有不锈钢气体腔室和插装在气体腔室一侧的扩散电极卡槽上的扩散电极组成，所述负极卡槽内插装有电池负极，所述锂空电堆壳体内充装有凝胶聚合物电解质；
其具体制备步骤如下：
(1)、制备锂空电堆的电池正极
将石墨烯和电解二氧化锰加入到有机溶剂中配制的混合物涂覆到泡沫镍上制得扩散电极，嵌入到充满空气的不锈钢气体腔室一侧的扩散电极卡槽上；
(2)、制备锂空电堆的电池负极
将经憎水处理的金属锂片和“凸”型集流体镍网压制成电池负极；
(3)、配制锂空电堆的电解质
3.1、配制电解质溶液
按照重量份数计，将3份～6份LiPF6溶于7份～15份碳酸乙烯酯中，充分溶解，再向其中加入0.2份～0.5份螺环季铵盐，在超声波辅助条件下混合均匀，超声波功率为300W～600W，超声波时间为1h～3h，得到电解质溶液；
3.2、配制聚合物溶液
按照重量份数计，称取0.2份～0.5份聚合物溶于1.0份～2.0份聚合交联剂中，在超声波辅助条件下混合均匀，超声波功率为500W～1000W，超声波时间为6h～12h，得到聚合物溶液；所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氧化乙烯(PEO)或聚丙烯酸(PAA)；所述聚合物交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯或甲基丙烯酸羟丙酯；
3.3、配制凝胶聚合物电解质
将步骤3.1配制的电解质溶液加入到步骤3.2配制的聚合物溶液中，搅拌均匀后，静置30min～120min，过滤除去固体沉淀物质，保留滤液；按照重量份数计，向滤液中加入0.5份～1份过硫酸盐溶液作为引发剂，所述过硫酸盐为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵，搅拌均匀，得到凝胶聚合物电解质；
(4)、组装插控式凝胶电解质锂空电堆
将凝胶聚合物电解质填满于电堆锂空壳体中，由左至右，向负极卡槽、正极卡槽依次插装步骤(2)制备的电池负极、步骤(1)制备的电池正极，室温下静置3min～10min，组装成插控式凝胶电解质锂空电堆。
2.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：制备锂空电堆的电池正极时，所述扩散电极的厚度为0.3mm～0.5mm，所述电池正极的气体腔室的厚度为2.0mm～5.0mm。
3.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：制备锂空电堆的电池负极时，所述金属锂片的厚度为0.1mm～0.5mm，所述集流体镍网的厚度为0.1mm～0.3mm。
4.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：组装插控式凝胶电解质锂空电堆时，每组单体电池的电池正极与电池负极之间的间距为0.5mm～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：步骤(1)中所述有机溶剂为异丙醇或乙醇。
6.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：步骤(1)中所述石墨烯与电解二氧化锰的质量比为3:1～5:1，所述石墨烯和电解二氧化锰总质量与有机溶剂的质量比为1:20。
7.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：所述过硫酸盐溶液的质量浓度为3％～8％。
8.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：所述泡沫镍的厚度为0.1mm～0.5mm。
9.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：所述锂空电堆壳体底部开设的正极卡槽和负极卡槽为3组～5组。
10.根据权利要求1所述的插控式凝胶电解质锂空电堆，其特征是：所述过硫酸盐溶液为饱和过硫酸盐溶液。
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