CN108550796A - 密闭锂氧电池用氧化锂-氟化碳正极极片及其制备方法 - Google Patents

密闭锂氧电池用氧化锂-氟化碳正极极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种密闭锂氧电池用氧化锂‑氟化碳正极极片及其制备方法，该方法包含：步骤1，将活性物质置入高能球磨罐中，密封，球磨混合，该活性物质包含氧化锂、氟化碳；步骤2，将球磨后的活性物质与导电剂、粘结剂混合，制备锂氧电池正极极片。该正极极片在密闭锂氧电池中使用，避免了空气中水分和二氧化碳等污染物可能造成的副反应，反应相对简单，不涉及气相的氧气，安全性也得到提高。本发明的电池正极为基于氧化锂的复合材料，性能稳定，工艺简单，成本低廉。

Description

密闭锂氧电池用氧化锂-氟化碳正极极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂氧电池技术领域，尤其涉及一种密闭锂氧电池用氧化锂-氟化碳正极极片及其制备方法。
背景技术
锂氧电池拥有超高理论能量密度，成本低廉，环境友好，有望用于未来大规模蓄电及运输动力用电。在锂氧电池体系中，所需要的外界原料为空气中取之不尽用之不竭的氧气，这大大降低了电池的运行成本。
传统锂氧电池以氧气为正极材料，电极接触空气，需要排除水与二氧化碳的干扰，阻止电解液溶剂的挥发，这就增加了设计的复杂性与成本。此外，该反应虽然物质可逆，但机理复杂，且涉及气相的氧气，动力学速度慢，能量转换效率低，表现为充放电平台的巨大差距。以氧化锂为正极材料的密闭体系锂氧电池虽然理论容量比传统锂氧电池低，但排除了空气中水分和二氧化碳等污染物的干扰，反应相对简单，不涉及气相的氧气，安全性也得到提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种密闭锂氧电池用氧化锂-氟化碳正极材料及其制备方法，该方法制备的正极材料性能稳定，工艺简单，成本低廉。
为了达到上述目的，本发明提供了一种密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，该方法包含：
步骤1，将活性物质置入高能球磨罐中，密封，球磨混合，该活性物质包含氧化锂、氟化碳（CFx，x取值范围为0.8-1.2）；
步骤2，将球磨后的活性物质与导电剂、粘结剂混合，制备锂氧电池正极极片。
较佳地，步骤1中，氧化锂与氟化碳的重量比为（7-15）：1。
较佳地，步骤1中，所述的活性物质还包含：LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）或Co3O4。
较佳地，氧化锂与LiNi0.8Co0.15Al0.05O2或Co3O4的摩尔比为1：（5-15）。
较佳地，步骤1中的球磨是指高能球磨，球磨时间为10-100小时。
较佳地，球磨后的活性物质与导电剂、粘结剂的重量比为（4-6）：（5-8）：1。
较佳地，步骤2制备正极极片的方法为：以无水乙醇为溶剂，将球磨后的活性物质、导电剂与粘结剂混合物搅拌均匀，再将其擀成薄片，压制锂氧电池正极极片。
较佳地，步骤2制备正极极片的方法为：将粘结剂、导电剂与球磨后的活性物质在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合，搅拌均匀，涂覆于集流体上，烘干，切片，作为锂氧电池正极极片。
较佳地，所述的导电剂包括导电炭黑（KB600、Supper P）和/或碳纤维（VGCF）；所述的粘结剂包括聚四氟乙烯（PTFE）和/或聚酰亚胺（PI）；所述烘干极片的方式包括真空烘干、红外灯烘干。
本发明还提供了一种根据上述的方法制备的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片，其中，所述正极极片的活性物质包含氧化锂、氟化碳。
本发明的有益效果是：与传统锂氧电池的正极材料相比，氧化锂-氟化碳正极材料在密闭锂氧电池中使用，避免了空气中水分和二氧化碳等污染物可能造成的副反应，反应相对简单，不涉及气相的氧气，安全性也得到提高。加入CFx可能在首圈放电中生成LiF，提高材料的导电性，降低极化。掺杂NCA、Co3O4等材料可以提高电池的电化学性能，尤其是充放电比容量。
附图说明
图1为本发明实施例1中球磨后所得的Li2O /CFx材料的扫描电镜图（SEM）。
图2为本发明实施例1中Li2O/CFx正极材料组装电池的比容量-电压曲线。
图3为本发明实施例2中制备的Li2O/NCA/CFx材料的扫描电镜图（SEM）。
图4为本发明实施例2中Li2O/NCA/CFx正极材料组装电池的比容量-电压曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提供的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护 。
实施例1
在充满Ar的手套箱，将重量比15:1的Li2O和CFx（x取值范围为0.8-1.2）装入气密性良好的高能球磨罐中，以600转/分钟的转速高能球磨。球磨得到的Li2O /CFx材料的SEM图如图1所示，证明我们制备了微米级别的混合均匀的Li2O /CFx材料。将球磨后的活性物质与导电炭黑KB600、粘结剂聚四氟乙烯以重量比6:8:1混合，以无水乙醇为溶剂，搅拌均匀，用有机玻璃棒将其擀成薄片，在钢网上压制得到锂氧电池正极极片。
实施例2
将实施例1中的原料改为重量比9:6:1的Li2O、NCA和CFx，其他步骤不变。制备的Li2O/NCA/CFx材料的扫描电镜图（SEM）如图3所示，证明我们制备了微米级别的混合均匀的Li2O/NCA /CFx材料。
实施例3
将实施例1中的原料改为重量比10:5:1的Li2O、Co3O4和CFx，其他步骤不变。
实施例4
将实施例1中的混料步骤改为，粘结剂PI、导电剂Super P与球磨后的活性物质以1:5:4的重量比在NMP中混合，搅拌均匀，涂覆于涂碳铝箔上，烘干，切片，作为锂氧电池正极极片。其他步骤不变。
实施例5
将实施例4中的混料步骤改为，粘结剂PI、导电剂Super P、导电剂VGCF与球磨后的活性物质以1:2.5:2.5:4的重量比混合，其他步骤不变。
在实施例2、3中，分别掺杂NCA和Co3O4，是为了在Li2O的晶格中掺入3d过渡金属元素，取代四面体中心锂的位置，由于电荷补偿效应，有利于锂离子的迁移，改善材料的离子导电性，降低极化，提高材料比容量。
在实施例4中，改变极片制备方法是为了改善极片的均匀性和一致性。
实施例5在实施例4的基础上将部分导电剂替换为VGCF，是为了充分利用块状颗粒的SP和管状颗粒的VGCF构筑导电网络，从而提高材料的电子导电性，改善其电化学性能。
以上述实施例1-5中各个正极极片、金属锂负极、玻璃纤维隔膜、1.2 M LiPF6/EC-EMC(体积比3:7)电解液在充满Ar的手套箱中组装CR2016型扣式电池。
用蓝电测试系统对上述样品进行电化学测试，先以对CFx0.2C的电流放电，之后进行对活性物质Li2O电流密度为25mA/g的恒电流充放电测试，电压范围控制在1.5-4.5V之间。如图2所示，为实施例1制备的正极片经过首圈充放电的活化后，极化减小，电化学性能改善。如图4所示，为实施例2中Li2O/NCA/CFx正极材料组装电池的比容量-电压曲线，由于实施例2在实施例1的基础上掺入NCA，极化进一步减小，循环稳定性提高。
综上所述，由本发明提供的氧化锂-氟化碳正极极片制备的锂氧电池，避免了空气中水分和二氧化碳等污染物可能造成的副反应，不涉及气相的氧气，反应相对简单，安全性也得到提高。且由于加入了CFx，其可能在首圈放电中生成LiF，提高材料的导电性，降低极化。进一步地，掺杂NCA或Co3O4等材料可以提高电池的电化学性能，尤其是充放电比容量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，将活性物质置入高能球磨罐中，密封，球磨混合，该活性物质包含氧化锂、氟化碳；
步骤2，将球磨后的活性物质与导电剂、粘结剂混合，制备锂氧电池正极极片。
2.如权利要求1所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化锂与氟化碳的重量比为（7-15）：1。
3.如权利要求1或2所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的活性物质还包含：LiNi0.8Co0.15Al0.05O2或Co3O4。
4.如权利要求3所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，氧化锂与LiNi0.8Co0.15Al0.05O2或Co3O4的摩尔比为1：（5-15）。
5.如权利要求1所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，步骤1中的球磨是指高能球磨，球磨时间为10-100小时。
6.如权利要求1所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，球磨后的活性物质与导电剂、粘结剂的重量比为（4-6）：（5-8）：1。
7.如权利要求1所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，步骤2制备正极极片的方法为：以无水乙醇为溶剂，将球磨后的活性物质、导电剂与粘结剂混合物搅拌均匀，再将其擀成薄片，压制锂氧电池正极极片。
8.如权利要求1所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，步骤2制备正极极片的方法为：将粘结剂、导电剂与球磨后的活性物质在N-甲基吡咯烷酮中混合，搅拌均匀，涂覆于集流体上，烘干，切片，作为锂氧电池正极极片。
9.如权利要求8所述的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片的制备方法，其特征在于，所述的导电剂包括导电炭黑和/或碳纤维；所述的粘结剂包括聚四氟乙烯和/或聚酰亚胺；所述烘干极片的方式包括真空烘干、红外灯烘干。
10.一种根据权利要求1所述的方法制备的密闭锂氧电池氧化锂-氟化碳正极极片，其特征在于，所述正极极片的活性物质包含氧化锂、氟化碳。
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