一種基于嵌鋰石墨的可充放鋰離子氧氣電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋰離子氧氣電池的制備方法，特別是負(fù)極為嵌鋰石墨的鋰離子氧氣電池的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著筆記本電腦、移動電話等便攜式電子產(chǎn)品的日益普及，以及發(fā)展中的電動汽車、儲能電池等，對電源的能量密度、使用壽命和成本等諸多方面提出了更高的要求。體積小、重量輕、環(huán)境友好、比能量高的鋰離子電池得到了廣泛的應(yīng)用并正在逐步取代比較傳統(tǒng)的電池，如鋅錳電池、鉛酸電池、鎘鎳電池、金屬氫化物電池。作為新一代的高能電源，鋰離子電池正是順應(yīng)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源利用和環(huán)境保護(hù)的需要而發(fā)展起來的。
[0003]目前商業(yè)化的鋰離子電池主要是基于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，而要減少二氧化碳的排放，解決全球變暖，僅靠便攜電子設(shè)備的電源改革是不行的，因?yàn)樵斐啥趸寂欧诺脑蛑饕堑缆方煌üぞ咚褂玫幕剂系娜紵虼税l(fā)展電動汽車才是最直接的解決辦法。但要實(shí)現(xiàn)純的電動汽車，電化學(xué)電源需要完全代替汽油，即達(dá)到汽油的13000Wh/Kg的能量密度，而鋰離子電池由于正極材料和搖椅機(jī)理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)電源途徑勢在必行。
[0004]鋰空氣電池的研究應(yīng)運(yùn)而生，它的原理如圖1所示，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，而電子并沒有將多孔電極上的碳還原，而是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)過程中的充放電都不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)，完全是零污染的綠色過程。
[0005]另外，鋰空氣電池的另一個(gè)重大優(yōu)勢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)純電動汽車。
[0006]但是，鋰片作為鋰空氣電池的負(fù)極存在一些問題。一方面，在放電的過程中鋰片會溶解成鋰離子，充電過程中鋰離子又會還原成金屬鋰，在這個(gè)還原的過程中由于熱力學(xué)的原因會導(dǎo)致鋰在還原的過程沉積不均勻而有枝晶狀的鋰的產(chǎn)生，鋰枝晶可能會成為“死鋰”，造成容量的不可逆損失，也可能會刺穿隔膜，使電池短路，產(chǎn)生安全問題；另一方面，在電池放電過程中，鋰片表面會脫鋰成為鋰離子，這樣會使鋰片變薄，從而會增大電池的內(nèi)阻，繼而增大能量的損耗。
[0007]有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種基于嵌鋰石墨的可充放鋰離子氧氣電池的制備方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種簡單便捷且具有優(yōu)良充放電性能、容量循環(huán)穩(wěn)定的鋰離子嵌入材料為負(fù)極的鋰離子氧氣電池的制備方法。
[0009]本發(fā)明的基于嵌鋰石墨的可充放鋰離子氧氣電池的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將天然石墨、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量比為60?90:5?35:3?8混合并攪拌均勻，加入溶劑制成糊狀膠合劑后均勻涂覆在銅箔上；
[0011](2)將涂覆后的銅箔烘干；
[0012](3)烘干后壓實(shí)處理，并裁成石墨電極；
[0013](4)將所述石墨電極與鋰片充分接觸，并滴加電解液反應(yīng)生成鋰化石墨電極；
[0014](5)以所述鋰化石墨電極為負(fù)極材料，super-p為正極材料，通過氣孔與空氣接觸制成鋰離子氧氣電池。
[0015]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中的溶劑為N-甲基吡咯烷酮，其滴加的量與天然石墨的量的關(guān)系為50?100滴:lg。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中將天然石墨、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量配比為90:5:5混合并攪拌均勻，加入N-甲基吡咯烷酮制成糊狀膠合劑后均勻涂覆在銅箔上，滴加的N-甲基吡略燒酬的量與天然石墨的量的關(guān)系為78滴:lg。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟(5)中將所述石墨電極與所述鋰片壓于扣式電池中接觸反應(yīng)。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(5)中所述石墨電極與所述鋰片接觸反應(yīng)36h。
[0019]進(jìn)一步的，所述步驟(6)中所述鋰化石墨電極的質(zhì)量m與super-p的質(zhì)量M關(guān)系為m彡4M。
[0020]進(jìn)一步的，所述步驟(6)中的電解液為G4。
[0021]借由上述方案，本發(fā)明的基于嵌鋰石墨的可充放鋰離子氧氣電池的制備方法可以使石墨有效的鋰化，而且物理接觸的鋰化方式簡單便捷，容易操作，并且鋰化石墨代替負(fù)極的鋰金屬可以有效的解決鋰金屬不均勻沉積產(chǎn)生枝晶所引起的安全問題及循環(huán)過程所引起的內(nèi)阻增大等問題。
[0022]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0023]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中鋰空氣電池的原理圖；
[0024]圖2是正常石墨電極在0.1C電流下的充放電曲線；
[0025]圖3是實(shí)施例1中制得的鋰化石墨電極在0.1C的充放電曲線；
[0026]圖4是實(shí)施例2中制得的鋰化石墨電極在0.1C的充放電曲線；
[0027]圖5是實(shí)施例3中制得的鋰化石墨電極在0.1C的充放電曲線；
[0028]圖6是實(shí)施例4中制得的鋰化石墨電極在0.1C的充放電曲線(圈中標(biāo)出的為首圈放電曲線)；
[0029]圖7是實(shí)施例1中制得的鋰化石墨電極作為負(fù)極所裝成的鋰離子氧氣電池在10mA電流下的充放電曲線；
[0030]圖8是實(shí)施例2中制得的鋰化石墨電極作為負(fù)極所裝成的鋰離子氧氣電池在10mA電流下的充放電曲線；
[0031]圖9是實(shí)施例3中制得的鋰化石墨電極作為負(fù)極所裝成的鋰離子氧氣電池在10mA電流下的充放電曲線；
[0032]圖10是實(shí)施例4中制得的鋰化石墨電極作為負(fù)極所裝成的鋰離子氧氣電池在10mA電流下的充放電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0034]實(shí)施例1
[0035]將天然石墨、乙炔黑、PVDF按質(zhì)量比為60: 32: 8混合并攪拌均勻，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)調(diào)整混合物的粘性直到混合物可以成線狀滴落，然后均勻涂覆在銅箔上，其中滴加的N-甲基吡咯烷酮(NMP)的量與天然石墨的量的關(guān)系為52滴:Ig ;將涂覆后的銅箔置于70°C干燥箱中烘干，然后放入真空干燥箱中120°C下干燥2h ;將涂覆好的石墨壓實(shí)，裁成直徑為12mm的圓形材料，即石墨電極；將所得的石墨電極在真空烘箱中80°C下干燥8h ;在手套箱中將石墨電極與鋰片壓于CR2032型扣式電池中充分接觸，中間滴加4?5滴LB303有機(jī)電解液反應(yīng)，反應(yīng)36h后形成鋰化后的石墨電極材料并取出；以鋰化石