CN113140791A - 一种锂空气电池的吡嗪类电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂空气电池技术领域，具体为一种锂空气电池吡嗪类电解液。本发明锂空气电池的吡嗪类电解液，是在常规有机电解液中添加一定量的四甲基吡嗪（C8H12N2）得到，所述常规有机电解液包括非水有机溶剂TEGDME和锂盐LiTFSI。含有该吡嗪类添加剂的电解液体系能够增大锂空气电池的放电容量，促进放电产物的形成，提高倍率性能，同时电池的循环性能也得以保持。该电解液配方简单，容易制备，有利于大批量生产。

Description

一种锂空气电池的吡嗪类电解液
技术领域
本发明属于锂空气电池技术领域，具体涉及锂空气电池吡嗪类电解液。
背景技术
随着人们对更高能量密度储能设备需求的不断增长，锂空气电池引起人们的极大兴趣。相比于锂离子电池而言，非水体系锂空气电池具有更高的理论能量密度，约为3500Wh kg-1，是传统锂离子电池的五倍。然而，在将该系统用作实际的能量存储设备之前，仍需克服诸多挑战，例如：实际容量低，倍率性能差，能量效率低，循环性能不佳等问题。这主要是由于放电过程中产生绝缘且不可溶的Li2O2产物，在充电过程中该放电产物不能被完全分解，阻塞氧气通道，钝化电极表面，最终导致电池失效。
大量研究表明，电池的放电容量和倍率性能与电解液的物理性质有着极大的关联，主要包括电解液的离子电导、粘度、溶氧量等。在较低的电流密度下，溶氧量占据主要影响因素。研究表明，绝大部分有机溶剂会对氧气产生一定的盐析作用，降低电解液溶氧量，最终导致电池的放电容量减少。而高粘度有机溶剂具有较低的离子电导率，进而导致较差的电池动力学活性。有研究者提出若增大Li+在电解液中的溶剂化作用，可增加第一步反应产生的超氧化锂LiO2在溶液中的溶解度，即放电过程中氧气首先吸附在电极表面，在电极表面得到电子并和Li+反应生成可溶性中间体LiO2(sol)，LiO2(sol)中间体可进一步在电极表面还原或者通过无需电子的歧化反应生成最终产物Li2O2。上述反应途径可增大锂空气电池的放电容量并同时提高倍率性能。
发明内容
本发明的目的在于提高锂空气电池的放电容量和倍率性能，提供一种锂空气电池吡嗪类电解液，以提高锂空气电池的放电容量，同时保证电池的循环性能。
本发明提供的锂空气电池吡嗪类电解液，包括：作为电解液试剂的有机溶剂四乙二醇二甲醚（TEGDME），锂盐双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI），以及作为添加剂的四甲基吡嗪（C8H12N2）；所述四甲基吡嗪（C8H12N2）的结构式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
四甲基吡嗪浓度范围为10-100 mM，优选浓度为30-60 mM，更优选浓度为50 mM。
锂盐浓度范围为0.2-1.0 M，优选浓度为0.4-0.7M，更优选浓度为 0.5 M。
具体配置方法为，将一定量的四甲基吡嗪加入到有机溶剂和锂盐组成的电解液中，配置不同浓度的四甲基吡嗪电解液。
含有本发明电解液的锂空气电池，使用Swagelok型电池模具。
本发明方法有益效果体现在：
由于采用四甲基吡嗪作为电解液添加剂，电池放电容量有明显提升，并且这种趋势在大电流下更加明显，彰显出较好的倍率性能，同时保持了电池的循环性能。该电解液添加剂稳定性好，结构简单，能促进放电过程中更多Li2O2产物的生成，且在一定程度上减少副产物的产生。该电解液配方简单，容易制备，有利于大批量生产。
附图说明
图1是含不同浓度四甲基吡嗪的电解液体系的充放电曲线。
图2是含不同浓度四甲基吡嗪的电解液体系的倍率性能。
图3是含不同浓度四甲基吡嗪的电解液体系在0.1 mA cm-2电流密度下的循环性能。
图4是含不同浓度四甲基吡嗪的电解液体系在0.1 mA cm-2电流密度下首圈充放电后前后的 X-射线衍射图。
具体实施方式
本发明实施例中所用的锂空气电池的正极活性材料选用科琴黑（KB）为碳源，负极采用金属锂片，每个电池电解液使用量为100μL。选用含有四甲基吡嗪的高放电容量电解液组装的锂空气电池作为实施例，选用不含电解液四甲基吡嗪的常规有机电解液组装的锂空气电池作为比较例。
比较例：
在氩气手套箱(H2O≤0.1 ppm, O2≤0.1 ppm)中，将有机溶剂放入4 Å分子筛除水一周制得非水有机溶剂。将称量好的锂盐加入非水有机溶剂中，得常规有机电解液，装入洁净干燥的试剂瓶中备用。其中，非水有机溶剂为四乙二醇二甲醚(TEGDME)；锂盐为浓度为0.5 M的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)。
用该常规电解液组装成锂空气电池。
实施例：
一种含有电解液添加剂的高放电容量电解液，向三份比较例所述的常规有机电解液中分别加入10、50、100 mM的添加剂四甲基吡嗪，得到含有不同浓度电解液添加剂的高放电容量电解液，分别装于洁净干燥的试剂瓶中备用。
用该高放电容量电解液组装成锂空气电池。
将上述实施例与比较例中组装好的锂空气电池在室温下，2.0-4.4V电压范围内测试电池的电化学性能：
如图1所示，为含不同浓度添加剂电解液与常规电解液的充放电曲线比较。从结果可以看出，加入四甲基吡嗪的电解液用于锂空气电池能在一定程度上改善其充电极化的问题。
如图2所示，为含不同浓度添加剂电解液的倍率性能比较。从结果可以看出，加入四甲基吡嗪的电解液可提升锂空气电池的放电容量，同时可获得较好的倍率性能。
如图3所示，为含不同浓度添加剂电解液与常规电解液的循环性能比较。从结果可以看出加入四甲基吡嗪的电解液，锂空气电池的循环性能保持良好。
如图4所示，在0.1 mA cm-2电流密度下含不同浓度添加剂的电解液体系首圈充放电后前后的X-射线衍射图。从结果可以看出，加入四甲基吡嗪的电解液能促进锂空气电池放电过程中产物Li2O2的生成。

Claims (4)

1.一种锂空气电池吡嗪类电解液，其特征在于，包括：作为电解液试剂的有机溶剂TEGDME，锂盐LiTFSI，以及作为添加剂的四甲基吡嗪C8H12N2；其中：
四甲基吡嗪浓度范围为10-100 mM；锂盐浓度范围为0.4-0.7M；
具体配置方法为，将一定量的四甲基吡嗪加入到有机溶剂和锂盐组成的电解液中，配置不同浓度的四甲基吡嗪电解液。
2.根据权利要求1所述的锂空气电池吡嗪类电解液，其特征在于，四甲基吡嗪浓度为30-60mM ；锂盐浓度为0.2-1.0M 。
3.根据权利要求1所述的锂空气电池吡嗪类电解液，其特征在于，所述有机溶剂TEGDME，置于氩气手套箱中，放入4 Å分子筛除水一周所制得。
4.以如权利要求1所述吡嗪类电解液组装的锂空气电池。
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