CN109244602B - 一种锂空气电池电解液的改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂空气电池电解液的改性方法，属于电化学技术领域。本发明向非水体系电解液中加入一定量的β胡萝卜素类似物和少量的水作为电解液添加剂进行改性。改性后的锂空气电池电解液能使得锂空气电池具有更高的放电比容量和更好的倍率充放电性能。与传统的电解液改性方法相比，该方法所使用的添加剂(水和β胡萝卜素类似物)价格低廉、来源广泛、无毒、无污染。且能广泛应用于各种锂空气电池电解液中。

Description

一种锂空气电池电解液的改性方法
技术领域
本发明涉及一种锂空气电池电解液的改性方法，属于电化学技术领域。
背景技术
随着一次能源和不断开发和利用，化石能源在全球的储量已经日渐消减，人们日益增长的能源需求和有限的能源储备之间的矛盾日益突出。因此，开发新型的能量存储于转换体系对于社会的可持续发展有着重要的意义。锂空气具有极高理论比容量(3828mAh/g)，是目前广泛使用的锂离子电池容量的5-10倍。在不考虑空气供给的前提下，其能量密度可以和化石燃料相媲美，因此，也被认为是下一代替代能源体系中最具潜力的二次电池体系之一。此外，锂空气电池的正极反应物是空气中的氧气，这可以大大减少电源的质量。充电产物为氧气，能大大避免尾气造成的污染，是真正意义上的绿色、高效、可持续化学电源体系。但是，由于金属锂在空气中的稳定性，电解液的副反应以及正极催化效率等问题，锂空气电池距离实际应用还有很大一段距离。特别是在非水溶剂的锂空气电池中，由于其放电产物为固态的Li2O2，该物质是电子和离子的不良导体，在电极表面堆积后会造成空气扩散困难，催化剂失效等，因此大大的降低了锂空气电池的实际比容量。特别是在高比容量锂空气电池中，放电生成的结晶型Li2O2严重阻碍了催化反应的继续发生，使得空气电池发生突然死亡的现象。近些年，研究人员同过实验发现，在锂空气电池电解液中加入一定量的添加剂能够改变电化学反应的历程，从而使得到的产物和产物形态发生改变。添加剂的使用能大大提高锂空气电池的放电容量，降低极化，提高电池的倍率性能。然而，现有的锂空气电池电解液添加剂主要是醌类化合物，哌嗪类化合物，碘化物，溴化物等，不但成本较高且具有一定的毒性，对环境有不同程度的污染。这与开发绿色环保的锂空气电池的理念并不相符。因此，在开发锂空气电池电解液添加剂过程中，使得添加剂成本降低、毒性降低、且环境友好成为了绿色高效锂空气电池开发的另一个重点内容。对于绿色添加剂的开发和推广更加有利于环保型锂空气电池的发展，也更符合人们对于新能源体系的需求。通过研究和对比发现，具有特殊结构的可食用营养素(例如天然虾青素、天然角黄素、天然叶黄素、天然玉米黄质)拥有良好的活性氧猝灭能力。这一特性正好和电解液中添加剂的作用相同，因此，若能通过一定的改性方法，使用可食用型营养素代替传统的电解液添加剂，则具有十分重要的意义。可以使得添加剂真正实现来源广、无污染等特性。然而，到目前为止，还未见到有相关的报道出现，因此，在这一领域还是一个空缺。
发明内容
本发明了的目的是提出了种锂空气电池电解液的改性方法，使用来源广泛、无毒无污染的改性剂，对各种类型的锂空气电池电解液进行改性，使得锂空气电池获得更高的容量和更好的快速充放电性能。
本发明提出的锂空气电池电解液的改性方法，包括以下步骤：
(1)将添加剂β胡萝卜素类似物溶解在锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度为0.3-1.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物；
(2)在上述步骤(1)经过滤的电解液中加入超纯水，使得电解液在水中的含量为8000-30000ppm，得到改性的锂空气电池电解液。
上述锂空气电池电解液的改性方法，其中的添加剂β胡萝卜素类似物为天然虾青素、天然角黄素、天然叶黄素或天然玉米黄质中的任何一种。
上述锂空气电池电解液的改性方法，其中的锂空气电池电解液为LTFSI/TEGDME体系、LiClO4/DMSO体系或LTFSI/DME体系。
本发明的提出锂空气电池电解液的改性方法，其优点是：
本发明的锂空气电池电解液的改性方法，首次将β胡萝卜素类营养素作为电解液添加剂应用到电池中，向非水体系电解液中加入一定量的β胡萝卜素类似物和少量的水作为电解液添加剂进行改性。改性后的锂空气电池电解液能使得锂空气电池具有更高的放电比容量和更好的倍率充放电性能。与传统的电解液改性方法相比，本发明方法所使用的添加剂(水和β胡萝卜素类似物)价格低廉、来源广泛、无毒、无污染，能广泛应用于各种锂空气电池电解液中。
附图说明
图1电解液改性前后对电池放电容量的影响示意图。
图2电解液改性前后对于快速充放电性能的影响示意图。
具体实施方式
本发明提出的锂空气电池电解液的改性方法，包括以下步骤：
(1)将添加剂β胡萝卜素类似物溶解在锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度为0.3-1.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物；
(2)在上述步骤(1)经过滤的电解液中加入超纯水，使得电解液在水中的含量为8000-30000ppm，得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
上述锂空气电池电解液的改性方法中，添加剂β胡萝卜素类似物为天然虾青素、天然角黄素、天然叶黄素、天然玉米黄质中的任何一种。
上述锂空气电池电解液的改性方法中，锂空气电池电解液可以但不限于LTFSI/TEGDME体系、LiClO4/DMSO体系或LTFSI/DME体系。
下面介绍本发明方法的实施例：
实施例一：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然虾青素溶解在一定量的LTFSI/TEGDME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度为0.8mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到10000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例二：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然虾青素溶解在一定量的LTFSI/TEGDME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在1.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到20000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例三：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然虾青素溶解在一定量的LiClO4/DMSO体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在1.2mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到9000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例四：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然角黄素，溶解在一定量的LTFSI/TEGDME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在0.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到15000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例五：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然角黄素，溶解在一定量的LiClO4/DMSO体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在0.3-1.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到15000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例六：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然角黄素，溶解在一定量的LTFSI/DME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在1.4mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到30000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例七：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然叶黄素溶解在一定量的LTFSI/TEGDME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在0.8mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到15000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例八：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然叶黄素溶解在一定量的LiClO4/DMSO体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在0.8mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到15000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例九：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然玉米黄质，溶解在一定量的LTFSI/TEGDME体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在1.2mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到21000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例十：
(1)在氩气手套箱中，准确称取一定量的天然玉米黄质，溶解在一定量的LiClO4/DMSO体系锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度在1.2mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物。
(2)向过滤好的电解液中加入一定量的超纯水，使得其中水含量达到22000ppm。得到改性的锂空气电池电解液。配制好的电解液在铝制瓶中避光密封保存。
实施例十一：
(1)选取天然虾青素作为电池添加剂，
(2)电解液改性选取LTFSI/TEGDME体系，其中添加天然虾青素浓度为1mmol/L,水含量为20000mmp。对照组为纯电解液不加改性剂。
(3)组装锂空气电池，正极材料使用超级活性炭P，加入电解液的量均为250uL。
(4)用100mA cm-2的电流对两组电池进行恒流放电，其结果如图1所示。
(5)分别用50,100,200mA/cm2电流密度对两组电池进行放电，测试快速放电下的倍率性能，其结果如图2所示。

Claims (1)

1.一种锂空气电池电解液的改性方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将添加剂β胡萝卜素类似物溶解在锂空气电池电解液中，配制成添加剂摩尔浓度为0.3-1.5mmol/L的溶液，并使用0.22um滤膜过滤掉电解液中的不溶物，其中所述的添加剂β胡萝卜素类似物为天然虾青素、天然角黄素、天然叶黄素、天然玉米黄质中的任何一种；
(2)在上述步骤(1)经过滤的电解液中加入超纯水，使得电解液中水的含量为8000-30000ppm，得到改性的锂空气电池电解液，所述的锂空气电池电解液为LTFSI/TEGDME体系、LiClO4/DMSO体系或LTFSI/DME体系。
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