專利名稱：一種鋰空氣電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰空氣電池的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著化石能源的日漸消耗和能源需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)新型能源材料的研究開發(fā)迫在眉睫。電能早在上個(gè)世紀(jì)普及應(yīng)用，電池是使用電能的常用工具之一，現(xiàn)在研究和應(yīng)用比較廣泛的是鋰離子電池。由于鋰離子電池能量密度高，使用壽命長(zhǎng)，自放電率低和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池正受到世界科學(xué)家的關(guān)注。但目前商業(yè)化的鋰離子電池主要還是基于LiCoO2等鋰離子嵌層化合物的搖椅機(jī)理，正極材料成為鋰離子電池能量密度的限制，極限能量密度只能達(dá)到400Wh/Kg，所以，鋰離子電池難當(dāng)重任，尋找新的電化學(xué)電源途徑勢(shì)在必行。鋰空氣電池的研究應(yīng)運(yùn)而生，它以金屬鋰為負(fù)極，由碳基材料組成的多孔電極為正極，放電過程中，金屬鋰在負(fù)極失去電池成為鋰離子，電子通過外電路到達(dá)多孔正極，將空氣中的氧氣還原，這一反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，電池便可以向負(fù)載提供能量。充電過程正好相反，在充電電壓的作用下，放電過程中產(chǎn)生的放電產(chǎn)物首先在多孔正極被氧化，重新放出氧氣，鋰離子則在負(fù)極被還原成金屬鋰，待該過程進(jìn)行完全，則電池又可重新向負(fù)載提供能量。由此可見，鋰空氣電池在整個(gè)充放電過程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，完全是零污染的綠色過程。鋰空氣電池的另一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)就是正極的活性物質(zhì)氧氣是直接來源于周圍空氣，因而是取之不盡用之不竭的，并且不需要儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，這樣既降低了成本又減輕了電池的重量，所以電池的能量密度完全取決于金屬鋰一側(cè)。通過理論計(jì)算可以得出，鋰空氣電池的能量密度可以達(dá)到13200Wh/Kg的超高理論能量密度，這一能量密度足以和汽油相媲美，從而有望完全代替汽油，真正實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車。鋰空氣電池有著巨大的應(yīng)用潛能，但是目前研究尚未成熟，仍存在許多關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)有待研究解決。例如，以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，必然要求正極材料能夠有利于氧氣分子快速擴(kuò)散，與電池的電子快速反應(yīng)。又如，傳統(tǒng)鋰離子電池采用有機(jī)電解液，表面張力會(huì)使親油性的空氣電極被電解液淹沒，不利于形成擴(kuò)散電極，導(dǎo)致放電時(shí)氧氣供應(yīng)不足，降低電池循環(huán)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋰空氣電池的制備方法。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是
一種鋰空氣電池的制備方法，包括以下步驟
1)將Al203、Li20、Ge02、P205 按 I: (2.5-3.5): (5.5-6.5): (5. 5-6. 5 )的摩爾比混合，熔化，磨粉，燒結(jié)，得到粉末；
2)將25-50wt%的乙炔黑、50-75wt%的上步得到的粉末和聚合物介質(zhì)混合于水中，攪拌均勻，涂于鎳基材的 兩面，并將鎳基材夾在兩塊不銹鋼板之間，壓平，干燥，保護(hù)氣氛下燒結(jié)，得到空氣正極；
3)將Al2O3' Li20、GeO2, P2O5 按 I: (2. 5-3. 5) : (5. 5-6. 5) : (5. 5-6. 5)的摩爾比混合，熔化，磨粉，然后壓平，燒結(jié)，得到第一薄膜；
4)將18-25wt%的鋰鹽電解質(zhì)、8-16wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合,球磨,熱壓至200-400 μ m,得到第二薄膜；
5)將18-25wt%的鋰鹽電解質(zhì)、8-16wt%的Li20、余量的聚氧化乙烯混合,球磨,熱壓至200-400 μ m,得到第三薄膜；
6)將第一薄膜夾在第二薄膜和第三薄膜之間，壓至800-1000μ m，得到固態(tài)電解質(zhì)；
7)將空氣正極與固態(tài)電解質(zhì)的第二薄膜連接；
8)在金屬鋰負(fù)極的覆蓋一層鋁箔，再將金屬鋰負(fù)極另與固態(tài)電解質(zhì)的第三薄膜連接；
9)組裝正負(fù)電池外殼、密封圈、防水透氣膜。步驟I)中，熔化溫度為1200-1400°C。步驟I)中，燒結(jié)溫度為800-1000°C。步驟2)中，保護(hù)氣氛為He、Ne、Ar中的一種。步驟2)中，所述的聚合物介質(zhì)為聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚砜中的一種。步驟4)中，所述的鋰鹽電解質(zhì)為 LiPF6、LiC104、LiAsF6、LiBF4、LiN(S02CF2CF3)2 中的一種。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明的電池正極為對(duì)氧氣有催化還原作用的空氣材料，能用外界的氧氣參與電極反應(yīng)。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，正極材料不是鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等，故有價(jià)金屬的消耗少，從而降低了成本。2、本發(fā)明采用固態(tài)電解質(zhì)，沒有有機(jī)溶劑，空氣正極不會(huì)被電解液淹沒，解決放電時(shí)氧氣供應(yīng)不足，降低電池循環(huán)性能的問題。而且對(duì)環(huán)境友好，解決傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液有毒易揮發(fā)的危害。


圖I是本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為鋰空氣電池的充放電電壓-時(shí)間曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明
以下涉及熱壓的步驟4)-6)中，熱壓壓力為25-30MPa，熱壓時(shí)間為O. 5_lh。實(shí)施例I :
一種鋰空氣電池的制備方法，包括以下步驟
1)將A1203、Li2O, GeO2, P2O5 按 1:3:6:6 的摩爾比混合，1200°C下熔化，磨粉，1000°C下燒結(jié)lh，得到粉末；
2)將45wt%的乙炔黑、55wt%的上步得到的粉末和5wt%的聚四氟乙烯混合于水中(水的質(zhì)量是乙炔黑、上步得到的粉末、聚四氟乙烯三者質(zhì)量的3倍)，攪拌均勻，涂于鎳網(wǎng)的兩面，并將鎳網(wǎng)夾在兩塊Imm的不銹鋼板之間，壓平，100°C下干燥8h，在200°C保護(hù)氣氛Ar下燒結(jié)20min，得到空氣正極；
3)將A1203、Li2O,Ge02、P2O5按1:3:6:6的摩爾比混合，1400°C下熔化，磨粉，然后壓平，在1000°C燒結(jié)lh，得到第一薄膜；
4)將25wt%的LiPF6、15wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合,球磨，1000°C下熱壓至200-400 μ m，得到第二薄膜；
5)將25wt%的LiPF6、15wt%的Li20、余量的聚氧化乙烯混合,球磨，1000°C下熱壓至200-400 μ m,得到第三薄膜； 6)將第一薄膜夾在第二薄膜和第三薄膜之間，1000°C下熱壓至800-1000μ m，得到固態(tài)電解質(zhì)；
7)將空氣正極與固態(tài)電解質(zhì)的第二薄膜連接；
8)在金屬鋰負(fù)極的覆蓋一層鋁箔，再將金屬鋰負(fù)極另與固態(tài)電解質(zhì)的第三薄膜連接；
9)組裝正負(fù)電池外殼、密封圈、防水透氣膜。實(shí)施例2:
一種鋰空氣電池的制備方法，包括以下步驟
1)將A1203、Li2O, GeO2, P2O5 按 1:3:6:6 的摩爾比混合，1200°C下熔化，磨粉，1000°C下燒結(jié)lh，得到粉末；
2)將45wt%的乙炔黑、55wt%的上步得到的粉末和5wt%的聚環(huán)氧乙燒混合于水中(7K的質(zhì)量是乙炔黑、上步得到的粉末、聚環(huán)氧乙烷三者質(zhì)量的3倍)，攪拌均勻，涂于鎳網(wǎng)的兩面，并將鎳網(wǎng)夾在兩塊Imm的不銹鋼板之間，壓平，100°C下干燥8h，在200°C保護(hù)氣氛Ar下燒結(jié)20min，得到空氣正極；
3)將A1203、Li2O,Ge02、P2O5按1:3:6:6的摩爾比混合，1400°C下熔化，磨粉，然后壓平，在1000°C燒結(jié)lh，得到第一薄膜；
4)將18wt%的LiC104、12wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合,球磨，100(TC下熱壓至200-400 μ m，得到第二薄膜；
5)將18wt%的LiC104、12wt%的Li20、余量的聚氧化乙烯混合,球磨，1000°C下熱壓至200-400 μ m,得到第三薄膜；
6)將第一薄膜夾在第二薄膜和第三薄膜之間，1000°C下熱壓至800-1000μ m，得到固態(tài)電解質(zhì)；
7)將空氣正極與固態(tài)電解質(zhì)的第二薄膜連接；
8)在金屬鋰負(fù)極的覆蓋一層鋁箔，再將金屬鋰負(fù)極另與固態(tài)電解質(zhì)的第三薄膜連接；
9)組裝正負(fù)電池外殼、密封圈、防水透氣膜。如圖I為本發(fā)明的電池的結(jié)構(gòu)的截面示意圖，該鋰空氣電池具有負(fù)極外殼4(塑料殼)，在負(fù)極外殼4的內(nèi)側(cè)底面上形成鋁箔6作為負(fù)極集流體，與負(fù)極導(dǎo)線2( Imm直徑鋼條)連接；在負(fù)極集流體上形成金屬鋰箔5作為負(fù)極層；由空氣電極9作為正極層，并與正極導(dǎo)線I (Imm直徑的銅條)連接；在負(fù)極層和正極層之間配置三層固態(tài)電解質(zhì)；金屬鋰箔5與第三薄膜7貼合，空氣正極9與第二薄膜13貼合，第一薄膜8位于第二薄膜13和第三薄膜7之間，該電池的負(fù)極外殼4外還設(shè)有正極外殼3 (鋼質(zhì)外殼),該電池頂部設(shè)有防水透氣膜10 (唐納森公司生產(chǎn)，該膜和鋼質(zhì)外殼相粘附)；負(fù)極外殼4和正極外殼3之間具有密封圈12 (密封圈材料為哈爾濱精誠(chéng)電池密封劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的M-Il鋰離子電池密封膠)。電池的組裝在充滿IS氣的無氧無水手套箱(MBRAUN, LabMaterlOO, Germany)中進(jìn) 行。如圖2所示為實(shí)施例I的鋰空氣電池的充放電電壓-時(shí)間曲線圖。
權(quán)利要求
1.一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟.1)將Al203、Li20、Ge02、P205 按 I: (2.5-3.5): (5.5-6.5): (5. 5-6. 5)的摩爾比混合，熔化，磨粉，燒結(jié)，得到粉末； .2)將25-50wt%的乙炔黑、50-75wt%的上步得到的粉末和聚合物介質(zhì)混合于水中，攪拌均勻，涂于鎳基材的兩面，并將鎳基材夾在兩塊不銹鋼板之間，壓平，干燥，保護(hù)氣氛下燒結(jié)，得到空氣正極；.3)將Al2O3' Li20、GeO2, P2O5 按 I: (2. 5-3. 5) : (5. 5-6. 5) : (5. 5-6. 5)的摩爾比混合，熔化，磨粉，然后壓平，燒結(jié)，得到第一薄膜； .4)將18-25wt%的鋰鹽電解質(zhì)、8-16wt%的氮化硼、余量的聚氧化乙烯混合,球磨,熱壓至200-400 u m,得到第二薄膜； .5)將18-25wt%的鋰鹽電解質(zhì)、8-16wt%的Li20、余量的聚氧化乙烯混合,球磨,熱壓至.200-400 u m,得到第三薄膜； . 6)將第一薄膜夾在第二薄膜和第三薄膜之間，壓至800-1000u m，得到固態(tài)電解質(zhì)； .7)將空氣正極與固態(tài)電解質(zhì)的第二薄膜連接； .8)在金屬鋰負(fù)極的覆蓋一層鋁箔，再將金屬鋰負(fù)極另與固態(tài)電解質(zhì)的第三薄膜連接； .9)組裝電池外殼、密封圈、防水透氣膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于步驟I)中，熔化溫度為 1200-1400°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于步驟I)中，燒結(jié)溫度為 800-1000°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于步驟2)中，保護(hù)氣氛為He、Ne、Ar中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于步驟2)中，所述的聚合物介質(zhì)為聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯、聚砜中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰空氣電池的制備方法，其特征在于步驟4)中，所述的鋰鹽電解質(zhì)為 LiPF6、LiC104、LiAsF6'LiBF4、LiN (SO2CF2CF3)2 中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋰空氣電池的制備方法，包括以下步驟1)將Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5混合，熔化，磨粉，燒結(jié)，得到粉末；2)將乙炔黑、粉末和聚合物介質(zhì)混合于水中，涂于鎳基材的兩面，并將鎳基材夾在兩塊不銹鋼板之間，壓平，干燥，保護(hù)氣氛下燒結(jié)，得到空氣正極；3)將Al2O3、Li2O、GeO2、P2O5混合，熔化，磨粉，燒結(jié)，得到第一薄膜；4)將鋰鹽電解質(zhì)、氮化硼、聚氧化乙烯混合，球磨，熱壓得到第二薄膜；5)將Li2O、氮化硼、聚氧化乙烯混合，球磨，熱壓，得到第三薄膜；6)將第一薄膜夾在第二薄膜和第三薄膜之間，得到固態(tài)電解質(zhì)；7)將空氣正極與固態(tài)電解質(zhì)的第二薄膜連接；8)在金屬鋰負(fù)極的覆蓋一層鋁箔，再將金屬鋰負(fù)極另與固態(tài)電解質(zhì)的第三薄膜連接；9)組裝電池外殼、密封圈、防水透氣膜。本發(fā)明的空氣電池具有較好的循環(huán)充放性能。
文檔編號(hào)H01M12/08GK102637922SQ201210110018
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者余海軍, 李長(zhǎng)東, 歐彥楠 申請(qǐng)人:佛山市邦普循環(huán)科技有限公司