一種空氣鋰電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空氣鋰電池，屬于電池領域。本發(fā)明的一種空氣鋰電池，包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極和凝結(jié)陰極，所述空氣陽極和凝結(jié)陰極之間設有交換膜，所述外殼內(nèi)充滿電解液，所述空氣陽極包括嵌鋰納米棒。本發(fā)明的一種空氣鋰電池具有對催化劑、陽極結(jié)構(gòu)、陰極材料均進行優(yōu)化選擇，電池比能量達到9140Wh·kg?1，電池續(xù)航能力大大提升的特點。
【專利說明】
一種空氣鋰電池
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋰電池，特別是一種空氣鋰電池。
【背景技術】
[0002] 隨著人們環(huán)保意識的加強及日趨嚴重的能源危機，綠色新型能源日益受到關注。 開發(fā)高能量密度的新型的能源體系是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要突進，各種新型二次電池相繼 開發(fā)出來。現(xiàn)有能源體系中，燃料電池成本高，且有一定安全隱患;鋰離子電池受限制于征 集活性物質(zhì)，比能量低，遠達不到人們的期望。
[0003] 鋰空氣電池是今年來崛起的一類低成本高能量電池，具有高的理論比能量，相比 于其他金屬空氣電池有明顯優(yōu)勢。與其他體系的能量存儲系統(tǒng)不同，鋰空氣電池的正極活 性材料(O 2)不需要存儲在電池中，同時具有良好的循環(huán)性能。但是，鋰空氣電池正極需使用 催化劑促使氧進行反應，對催化劑、陽極保護、陰極材料的優(yōu)化選擇都對電池能量密度、充 放電電壓以及循環(huán)性能都有直接且重要的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種對催化劑、陽極結(jié)構(gòu)、陰 極材料均進行優(yōu)化選擇，電池比能量達到9140Wh · kg'電池續(xù)航能力大大提升的空氣鋰電 池。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0006] 本發(fā)明一種空氣鋰電池，包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極和凝結(jié)陰極，所述空氣陽 極和凝結(jié)陰極之間設有交換膜，所述外殼內(nèi)充滿電解液，所述空氣陽極包括嵌鋰納米棒。
[0007] 由于采用了上述技術方案，在空氣陽極中添加嵌鋰納米棒，能夠有效減少鋰離子 和電子擴散距離，使得空氣陽具具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。
[0008] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述嵌鋰納米棒為Mo-Li-Ti-Ο,所述嵌鋰納米棒中Mo， Li，Ti，0元素的原子比為0.4:1:1.5:6.6。
[0009] 由于采用了上述技術方案，得到的嵌鋰納米棒粒度均勻，分散性良好，其直徑在 100~150nm之間，長度在3μπι以上，比容量和玄幻穩(wěn)定性良好，高倍率放電性能也優(yōu)異。在承 受不同電流密度下的160次循環(huán)后，容量仍然保持在98%以上，容量損失少。
[0010] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述嵌鋰納米棒的兩側(cè)交錯設有催化層和空氣層，所 述空氣陽極外表面覆有多壁納米碳管膜。
[0011] 由于采用了上述技術方案，在鋰空氣電池的充放電過程中，放電產(chǎn)物是絕緣的 Li2O2,即使添加了大量的炭黑深度放電過程中產(chǎn)生的大量Li2O 2分布在炭黑顆粒表面，仍會 帶來體積膨脹，造成導電網(wǎng)絡潰散、電極破壞，導致其性能下降。在空氣陽極外表面覆有多 壁納米碳管膜具有強度高、相互交織，在深度放電大量產(chǎn)生Li 2O2時，能有保證導電網(wǎng)絡不被 破壞，電極不會潰散，提高鋰空氣電池的充放電性能。
[0012] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述催化層和空氣層由隔膜隔開，所述隔膜具有四方 形骨架的晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)包括4個Zn2+和1個O2I且成的[ZnO]6+無機基團，所述無機 基團和[O2C-C6H4-CO2]2^以八面體形式連接晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)能夠吸附氣體，所述吸 附氣體的自由能符合以下公式：
[0013] 由于采用了上述技術方案，<^為晶體兩頂點至被吸附氣體中心的夾角，ΘΑ晶體頂 點至吸附氣體分子中心的夾角，d為被吸附氣體的直徑，α為晶體的邊長，0 CB為氣體分子外溢 邊至晶體兩頂點的夾角。
[0014] 上述晶體的特殊結(jié)構(gòu)是氣體吸附的理想結(jié)構(gòu)，因為其獨特的連接，各邊都可以用 于吸附氣體分子，作為隔膜材料能夠很好的氧氣分子進行吸附，避免氧氣溶于電解液中與 電解液等發(fā)生反應影響電池性能。
[0015] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述催化層內(nèi)設有催化劑，所述催化劑由質(zhì)量份31~ 50份二甲基吩嗪，10~22份氯苯吩嗪，3~9份聚吡咯和5~13份聚多巴胺組成。
[0016] 由于采用了上述技術方案，催化劑的催化效果好，能夠大大提高電池能量密度、循 環(huán)性能。
[0017] 其中，二甲基吩嗪可以為31~50份中的任意值，例如32,33,35,57,38,39,42,43， 46,47，48等，氯苯吩嗪可以為10~22份中的任意值，例如11，13,14,15,17，21等，聚吡咯可 以為3~9份中的任意值，例如4,5,6,7,8等，聚多巴胺可以為5~13份中的任意值，例如6,7， 9，10，12 等。
[0018] 優(yōu)選的，當催化劑由質(zhì)量份47份二甲基吩嗪，18份氯苯吩嗪，7份聚吡咯和10份聚 多巴胺組成時為最佳值，電池比能量達到9140Wh · kg一、
[0019] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述空氣層中Q2的含量為37%~58%。
[0020] 由于采用了上述技術方案，上述氧氣含量為具有良好反應活性，隔膜能夠吸附的 較佳范圍。
[0021] 本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述多壁納米碳管膜由質(zhì)量份15~30份苯，5~8份二 茂鐵和11~18份噻吩組成，所述多壁納米碳管膜由直徑為600nm的碳纖維交織形成，厚度為 40nm〇
[0022] 由于采用了上述技術方案，多壁納米碳管膜具有強度高、相互交織，在深度放電大 量產(chǎn)生Li2O2時，能有保證導電網(wǎng)絡不被破壞，電極不會潰散，提高鋰空氣電池的充放電性 能。
[0023] 其中，苯可以為15~30份中的任意值，例如16，17，18,22,24,26,28,29等，二茂鐵 可以為5~8份中的任意值，例如6,7,8等，噻吩可以為11~18份中的任意值，例如12,14,15， 16，17 等。
[0024]優(yōu)選的，當多壁納米碳管膜由質(zhì)量份28份苯，6份二茂鐵和15份噻吩組成時為最佳 值，以500mA/g的電流在2.3~4.6V充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放37次。
[0025]本發(fā)明的一種空氣鋰電池，所述交換膜為離子交換膜。
[0026]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1、對催化劑、陽極結(jié)構(gòu)、陰極材料均進行優(yōu)化選擇，電池比能量達到9140Wh · kg一S 電池續(xù)航能力大大提升。
[0028] 2、在深度放電大量產(chǎn)生Li2O2時，能有保證導電網(wǎng)絡不被破壞，電極不會潰散，提高 鋰空氣電池的充放電性能，能夠很好的氧氣分子進行吸附，避免氧氣溶于電解液中與電解 液等發(fā)生反應影響電池性能。
【附圖說明】
[0029] 圖1是一種空氣鋰電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖中標記：1為交換膜，2為空氣陽極，3為凝結(jié)陰極，4為電解液，5為多壁納米碳管 膜。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
[0032] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0033] 實施例1
[0034] 如圖1所示，一種空氣鋰電池，包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極2和凝結(jié)陰極3,空氣 陽極2和凝結(jié)陰極3之間設有交換膜1，外殼內(nèi)充滿電解液4,空氣陽極2包括嵌鋰納米棒。嵌 鋰納米棒的兩側(cè)交錯設有催化層和空氣層，空氣陽極2外表面覆有多壁納米碳管膜5?？諝?層中Q 2的含量為37%，交換膜1為離子交換膜。嵌鋰納米棒為Mo-Li-Ti-Ο,嵌鋰納米棒中Mo， Li，Ti，0元素的原子比為0.4:1:1.5:6.6。催化層和空氣層由隔膜隔開，隔膜具有四方形骨 架的晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)包括4個Zn 2+和1個儼組成的[ZnO]6+無機基團，所述無機基團和 [O2C-C 6H4-CO2]2^以八面體形式連接晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)能夠吸附氣體，所述吸附氣體 的自由能符合以下公式：
催化層內(nèi)設有催化劑，多壁納米碳管膜 由直徑為600nm的碳纖維交織形成，厚度為40nm，凝結(jié)陰極3由氧化錳納米線凝結(jié)而成，氧化 錳納米線的直徑為80nm，納米線呈荊棘狀。
[0035] 實施例2
[0036] 如圖1所示，一種空氣鋰電池，包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極2和凝結(jié)陰極3,空氣 陽極2和凝結(jié)陰極3之間設有交換膜1，外殼內(nèi)充滿電解液4,空氣陽極2包括嵌鋰納米棒。嵌 鋰納米棒的兩側(cè)交錯設有催化層和空氣層，空氣陽極2外表面覆有多壁納米碳管膜5?？諝?層中Q 2的含量為58%，交換膜1為離子交換膜。嵌鋰納米棒為Mo-Li-Ti-Ο,嵌鋰納米棒中Mo， Li，Ti，0元素的原子比為0.4:1:1.5:6.6。催化層和空氣層由隔膜隔開，隔膜具有四方形骨 架的晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)包括4個Zn 2+和1個儼組成的[ZnO]6+無機基團，所述無機基團和 [O2C-C 6H4-CO2]2^以八面體形式連接晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)能夠吸附氣體，所述吸附氣體 的自由能符合以下公式：
催化層內(nèi)設有催化劑，多壁納米碳管膜 由直徑為600nm的碳纖維交織形成，厚度為40nm，凝結(jié)陰極3由氧化錳納米線凝結(jié)而成，氧化 錳納米線的直徑為80nm，納米線呈荊棘狀。
[0037] 實施例3
[0038] 如圖1所示，一種空氣鋰電池，包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極2和凝結(jié)陰極3,空氣 陽極2和凝結(jié)陰極3之間設有交換膜1，外殼內(nèi)充滿電解液4,空氣陽極2包括嵌鋰納米棒。嵌 鋰納米棒的兩側(cè)交錯設有催化層和空氣層，空氣陽極2外表面覆有多壁納米碳管膜5?？諝?層中Q 2的含量為45%，交換膜1為離子交換膜。嵌鋰納米棒為Mo-Li-Ti-Ο,嵌鋰納米棒中Mo， Li，Ti，0元素的原子比為0.4:1:1.5:6.6。催化層和空氣層由隔膜隔開，隔膜具有四方形骨 架的晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)包括4個Zn 2+和1個儼組成的[ZnO]6+無機基團，所述無機基團和 [O2C-C 6H4-CO2]2^以八面體形式連接晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)能夠吸附氣體，所述吸附氣體 的自由能符合以下公式
催化層內(nèi)設有催化劑，多壁納米碳管膜 由直徑為600nm的碳纖維交織形成，厚度為40nm，凝結(jié)陰極3由氧化錳納米線凝結(jié)而成，氧化 錳納米線的直徑為80nm，納米線呈荊棘狀。
[0039] 實施例4
[0040]將二氧化鈦和IOmo VL的Na0H(40mL)溶液攪拌，在超聲作用下混合均勻后轉(zhuǎn)移至 以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中，在180°C下恒溫水熱反應48h。待反應釜冷卻至室 溫后，傾去上層清液，將白色沉淀物離心分離并用蒸餾水反復洗滌至PH值接近8,于HKTC恒 溫干燥24h得到水合鈦酸鈉納米棒。稱取Ig水合鈦酸鈉納米棒與2.4gMo〇3和6gLiN〇3混合均 勻后，在馬弗爐中加熱至260°C，恒溫反應一定時間，過濾、干燥即得到納米棒狀Mo-Li-Ti-O 化合物。最后，將制備好的樣品在400~700 °C的空氣氣氛中燒結(jié)3h。得到Mo-L i -T i -0嵌鋰納 米棒。
[0041 ] 實施例5
[0042] 以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份15份苯，5份 二茂鐵和11份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放31次。
[0043] 實施例6
[0044] 以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份30份苯，8份 二茂鐵和18份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放34次。
[0045] 實施例7
[0046] 以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份17份苯，6份 二茂鐵和13份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放32次。
[0047] 實施例8
[0048] 以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份18份苯，6份 二茂鐵和13份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放36次。
[0049] 實施例9
[0050]以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份28份苯，6份 二茂鐵和15份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放37次。
[0051 ] 實施例10
[0052]以苯為碳源，二茂鐵為催化劑前軀體，噻吩為生長促進劑，按照質(zhì)量份25份苯，5份 二茂鐵和13份噻吩稱取原料，在1373K~1473K下催化生長多壁納米碳管膜。二茂鐵從473K 開始蒸發(fā)，高于673K分解，碳原子在Fe顆粒表面析出并形成多壁納米碳管膜，反應結(jié)束后， 反應系統(tǒng)在Ar氣保護下降溫到室溫，得到多壁納米碳管膜。以500mA/g的電流在2.3~4.6V 充放電，能夠保持容量不衰減循環(huán)充放33次。
[0053] 實施例11
[0054] 將1，4_對苯二甲酸溶于N，N'_二甲基甲酰胺，強力攪拌下加入Zn(NO3)2 · 4H20,攪 拌均勻后轉(zhuǎn)移至IOOmL聚四氟乙烯水熱反應釜中，再加入DMF至65mL，100 °C溶劑熱反應24h， 自然冷卻至室溫，將沉淀物抽濾，用DMF洗滌3次，在HKTC條件下干燥12h，制得隔膜中間體 材料。
[0055]取適量的隔膜中間體材料置于管式爐中，通入30min Ar氣易除盡管內(nèi)的空氣，以5 。(：· mirr1升溫至200°C，保持2h，然后升溫至600°C保持4h，在900°C下保溫2h。自然冷卻至室 溫，得到產(chǎn)物經(jīng)濃硝酸活化后，蒸餾水多次洗滌，在l〇〇°C條件下干燥12h，得到隔膜。
[0056] 實施例12
[0057] 催化劑由質(zhì)量份31~50份二甲基吩嗪，10~22份氯苯吩嗪，3~9份聚吡咯和5~13 份聚多巴胺組成。本發(fā)明給出了 12種較佳的實施例，并測試了其電池比能量(Wh · kg^1)，詳 細數(shù)據(jù)見表1。
[0058]表1較佳實施例(質(zhì)量份)及催化性能
[0060] 實施例13
[0061] 病毒陰極
[0062] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種空氣裡電池，其特征在于:包括置于外殼內(nèi)部的空氣陽極(2)和凝結(jié)陰極(3)，所 述空氣陽極(2)和凝結(jié)陰極(3)之間設有交換膜（1)，所述外殼內(nèi)充滿電解液(4)，所述空氣 陽極(2)包括嵌裡納米棒。2. 如權(quán)利要求1所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述嵌裡納米棒為Mo-Li-Ti-O, 所述嵌裡納米棒中Mo，Li，Ti，0元素的原子比為0.4:1:1.5:6.6。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述嵌裡納米棒的兩側(cè)交錯 設有催化層和空氣層，所述空氣陽極(2)外表面覆有多壁納米碳管膜(5)。4. 如權(quán)利要求3所述的一種空氣裡電池，其特征在于：所述催化層和空氣層由隔膜隔 開，所述隔膜具有四方形骨架的晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu)包括4個Zn2+和1個滬組成的[ZnO 產(chǎn)無機基團，所述無機基團和[O2C-C6H4-CO2]2節(jié)八面體形式連接晶體結(jié)構(gòu)，所述晶體結(jié)構(gòu) 能夠吸附氣體，所述吸附氣體的自由能符合W下公式5. 如權(quán)利要求4所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述催化層內(nèi)設有催化劑，所述 催化劑由質(zhì)量份31~50份二甲基吩嗦，10~22份氯苯吩嗦，3~9份聚化咯和5~13份聚多己 胺組成。6. 如權(quán)利要求4或5所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述空氣層中化的含量為37% ~58%。7. 如權(quán)利要求6所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述多壁納米碳管膜由質(zhì)量份15 ~30份苯，5~8份二茂鐵和11~18份嚷吩組成，所述多壁納米碳管膜由直徑為600nm的碳纖 維交織形成，厚度為40nm。8. 如權(quán)利要求1或2或4或5或7所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述凝結(jié)陰極(3) 由氧化儘納米線凝結(jié)而成，所述氧化儘納米線的直徑為80nm，所述納米線呈荊棘狀。9. 如權(quán)利要求8所述的一種空氣裡電池，其特征在于:所述交換膜(1)為離子交換膜。
【文檔編號】H01M12/08GK105914431SQ201610383574
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】王翔
【申請人】王翔