CN112018308B - 一种锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂空气电池硅酸铝纤维隔膜，该锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜由硅酸铝陶瓷纤维组成。由该方法制备的硅酸铝纤维隔膜具有高的吸液率，大的孔隙率，比电阻小，有良好的化学稳定性和较好的耐热性能的优点，能很好地适用锂空气电池，能很好地解决现有隔膜成本高的问题。本申请公开的方法，具有制备简单，易于成型等特点。本申请公开的锂空气电池的电化学形成稳定。

Description

一种锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法及应用
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法及应用。
背景技术
随着经济社会的不断发展，能源问题和环境问题日益加剧，节能减排和开发新能源以及高效的能量器件是当今社会的重要课题。上世纪末期开始，锂离子电池作为最新一代的绿色高能充电电池，迅速发展成为新型电源和电化学储能期间。锂离子电池具有环境友好、高能量密度、较高的开路电压、循环寿命长等诸多优点，现已经应用于手机、数码相机和平板电脑等便携式电子产品。近年来，以锂离子电池为动力的新能源汽车备受关注，这种“零排放”的汽车出行今后势必成为人们日常生活中的一部分。但是锂电池中正极材料局限了锂电池的储能能力，大部分正极材料的电化学容量不超过200mAh/g，另外，锂离子在金属正极材料的扩散系数较低，也限制了锂电池的能量输出，因此，开发更高能量密度的锂电池体系很有必要。
其中，锂空气电池因为其超高的理论能量密度(3458W·h/kg)，被认为是具有潜力的下一代高比容量储能器件。在锂空气电池中，正极的氧气(空气)并不贮存在电池中，电池是处在非密闭的体系中，空气中的氧能够通过催化剂变成氧负离子或过氧负离子然后再通过电化学反应生成金属氧化物或过氧化物。在非密闭的体系中，电解液容易挥发，这要求隔膜具有高的吸液率。目前，锂空气电池隔膜主要使用的是whatman玻璃纤维，这是一种具有高吸液率、大孔隙率和比电阻小等特点，能满足锂空气电池的要求，但是，该隔膜价格昂贵，这一定程度上限制了锂空气电池商业化的发展。因此，发明一种价格便宜且能满足锂空气电池要求的隔膜是非常有必要的。
发明内容
鉴于现有材料的不足之处，本发明的一方面提供了一种锂空气电池硅酸铝纤维隔膜，该锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜由硅酸铝陶瓷纤维组成。
该空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜由的硅酸铝陶瓷纤维和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粘结剂组成。
在优选的实施方式中，所述硅酸铝陶瓷纤维含有硅酸铝、二氧化硅和氧化锆中的至少一种。
在优选的实施方式中，所述硅酸铝陶瓷纤维的直径为3至30μm。
在优选的实施方式中，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的厚度大于0.5mm。
在优选的实施方式中，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的吸液率为500-1500％。
在优选的实施方式中，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的孔隙率为30-60％。
本发明的另一方面提供了一种锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
(1)采用市售的硅酸铝纤维进行超声分散；
(2)将所述硅酸铝陶瓷纤维溶解于聚甲基丙烯酸甲酯溶液5wt％的PMMA溶，搅拌形成絮状浆料；
(3)将所述浆料涂覆在铜基膜上，干燥后将铜片剥离，即得所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜。
本发明的又一方面提供了一种锂空气电池，所述锂空气电池包括正极、负极和隔膜，其中，所述隔膜选自上述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜中的一种，或者选自根据上述方法制备的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜中的一种。
在优选的实施方式中，所述锂空气电池还包括电解液，所述电解液选自LiTFSI、LiPF6和LiClO4中的一种。
本申请中，“吸液率”是指……隔膜吸收电解液的能力，将隔膜置于电解液中浸泡，30min后取出，称重，测其吸液性能(吸液率＝(吸液量/隔膜质量)×100％)。
本申请中，“孔隙率”是指……隔膜吸收电解液后，电解液的体积占此时总体积的比例。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请提供的隔膜具有高的吸液率，大的孔隙率，比电阻小，有良好的化学稳定性和较好的耐热性能的优点，能很好地适用锂空气电池；
2)该隔膜满足锂空气电池隔膜要求且价格便宜，能很好地解决现有隔膜成本高的问题；
3)本申请所提供的方法，具有制备简单，易于成型等特点；
4)本申请所提供的锂空气电池，电化学性能稳定，充放电电压区间为2-4.5V，经过25次循环后容量没有明显衰减。
附图说明
图1为本申请制备的硅酸铝陶瓷纤维隔膜的宏观形貌。
图2为本申请制备的硅酸铝陶瓷纤维隔膜的电镜图片，示出了硅酸铝陶瓷纤维隔膜的微观形貌。
图3示出了本申请制备的锂空气电池的充放电循环的性能测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种锂空气电池的硅酸铝陶瓷纤维隔膜，硅酸铝陶瓷纤维的平均直径为3-30μm。
硅酸铝陶瓷纤维为购自河南旺辉保温材料有限公司，型号为WH-6的硅酸铝纤维隔热片。
硅酸铝陶瓷纤维的制备
实施例1
(1)采用市售的硅酸铝纤维进行超声分散；
(2)将所述硅酸铝陶瓷纤维溶解于5wt％的PMMA溶液，搅拌形成絮状浆料；
(3)将所述浆料涂覆在铜基膜上，干燥后将铜片剥离，即得所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜。
图1和图2分别示出了硅酸铝陶瓷纤维隔膜宏观和微观形貌。
从图1中可以看出依照实施例1的方法制备的隔膜表面平整，可裁剪成各种规格。
从图2中可以看出依照实施例1的方法制备的隔膜中的纤维之间空隙很大。
锂空气电池的制备及性能测试(实施例2～8)
实施例2
利用打孔机把厚度为0.5mm硅酸铝陶瓷纤维(纤维的直径为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为科琴黑，购于上海宝渠化学有限公司，负极为锂片，加入1M LiTFSI电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，经过25次循环后容量没有明显衰减。锂空气电池的电化学性能如图3所示。
实施例3
利用打孔机把厚度为0.8mm硅酸铝陶瓷纤维(纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为KB，负极为锂片，加入LiTFSI电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
实施例4
利用打孔机把厚度为1mm硅酸铝陶瓷纤维(单根纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为KB，负极为锂片，加入LiTFSI电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
实施例5
利用打孔机把厚度为0.5mm硅酸铝陶瓷纤维(单根纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为碳纳米管，负极为锂片，加入LiTFSI电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
实施例6
利用打孔机把厚度为0.8mm硅酸铝陶瓷纤维(单根纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为碳纳米管，负极为锂片，加入LiTFSI电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
实施例7
利用打孔机把厚度为0.5mm硅酸铝陶瓷纤维(单根纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为KB，负极为锂片，加入LiPF6电解液140μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
实施例8
利用打孔机把厚度为1mm硅酸铝陶瓷纤维(单根纤维的直径平均为3-30μm)制备成直径为18mm的圆形结构作为隔膜，正极为KB，负极为锂片，加入LiClO4电解液200μL,静置5小时，充放电电压区间为2-4.5V，虽然未在附图中示出，但是本实施例的锂空气电池的电化学性能与实施例1中的锂空气电池的电化学性能相似，均在经过25次循环后容量没有明显衰减。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
(1)采用市售的硅酸铝纤维进行超声分散；
(2)将所述硅酸铝陶瓷纤维溶解于聚甲基丙烯酸甲酯溶液，搅拌形成絮状浆料；
(3)将所述浆料涂覆在铜基膜上，干燥后将铜片剥离，即得所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜；
所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜由硅酸铝陶瓷纤维组成。
2.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述硅酸铝陶瓷纤维含有硅酸铝。
3.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述硅酸铝陶瓷纤维的直径为3至30μm。
4.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的厚度大于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的吸液率为500-1500％。
6.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的孔隙率为30-60％。
7.根据权利要求1所述的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的质量百分浓度为3wt％～7wt％。
8.一种锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池包括正极、负极和隔膜，其中，
所述隔膜选自选自按权利要求1至7任意一项所述方法制备的锂空气电池硅酸铝陶瓷纤维隔膜。
9.根据权利要求8所述的锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池还包括电解液，所述电解液选自LiTFSI、LiPF6和LiClO4中的一种。
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