一種可在空氣中工作的扣式鋰空電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可在空氣中工作的扣式鋰空電池。該電池是由扣式電池殼，鋰陽極、隔膜、電解液、防護(hù)性空氣電極、密封圈組成。其中在扣式電池的正極殼上開一個(gè)或多個(gè)通氣孔，以提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧氣；防護(hù)性空氣電極由空氣電極和防護(hù)膜組成，該防護(hù)膜能夠抑制空氣中水分的侵入，同時(shí)能夠阻止電池內(nèi)部電解液的揮發(fā)；電池的密封性由密封圈來實(shí)現(xiàn)。由此制作的扣式鋰空氣電池環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合在空氣中工作。
【專利說明】—種可在空氣中工作的扣式鋰空電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬鋰空氣電池，特別是公開一種可在空氣中工作的扣式鋰空氣電池及其制作方法，屬于化學(xué)電源及相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]科技的進(jìn)步為人類生活提供了諸多方便，但隨之而來的是能源消費(fèi)的迅速增加、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)等諸多問題。人類的總功耗預(yù)計(jì)到2050年為現(xiàn)在的三倍。能源供給的日益匱乏，迫使人 們不斷探索新的能源，研究與開發(fā)高能量密度的電源體系及材料勢在必行。在目前所研究的各種電池體系中，鋰空氣電池具有最高的比能量。超高的能量密度及廣闊的應(yīng)用前景，吸引了越來越多的人投身到該領(lǐng)域的研究之中，近期更有愈演愈烈之勢。
[0003]鋰空氣電池直接使用空氣中的O2作為反應(yīng)原料，而空氣中的H20、C02、N2等污染物對于有機(jī)體系存在著嚴(yán)重的破壞作用，因此目前文獻(xiàn)報(bào)道的鋰空氣電池通常在干燥純氧中放電，嚴(yán)格來講這種電池應(yīng)該叫做鋰氧氣電池，由于其規(guī)避了在空氣中放電時(shí)存在的h2o、CO2侵入的難題，不能完全代表鋰空氣電池實(shí)際應(yīng)用的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)難題，提供一種可在空氣中工作的扣式鋰空氣電池及其制作方法。該電池是由扣式電池殼，鋰陽極、隔膜、電解液、防護(hù)性空氣電極、密封圈組成。其中在扣式電池的正極殼上開一個(gè)或多個(gè)通氣孔，以提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧氣；通氣孔直徑為0.5-15mm，常用為l_3mm。防護(hù)性空氣電極由空氣電極和氧選擇性防護(hù)膜組成，抑制空氣中水分的侵入和電池內(nèi)部電解液的揮發(fā)；電池的密封性由密封圈來實(shí)現(xiàn)，將鋰陽極、隔膜、防護(hù)性空氣電極、密封圈依次疊放在負(fù)極電池殼內(nèi)，再蓋上正極電池殼，封口后即制得本發(fā)明所述的可在空氣中工作的扣式鋰空電池。由此制作的扣式鋰空氣電池環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合在空氣中工作。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:扣式電池殼 可選用現(xiàn)有型號如CR1130、CR1220、CR1616、CR1620、CR2016、CR2025、CR2032、CR2330、CR2430、CR2450、CR2477 等中的一種，根據(jù)放電
電流密度的大小，在正極殼上開一個(gè)或多個(gè)通氣孔，以提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧氣。鋰陽極提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的鋰，由金屬鋰、鋰硅合金、鋰硼合金、鋰鋁合金等中的一種或幾種構(gòu)成。隔膜為現(xiàn)有鋰離子電池用隔膜，如PP、PE、PP/PE/PP膜。電解液為含六氟砷酸鋰(LiAsF6)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、高氯酸鋰(LiC104)、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3S03)、二(三氟甲基磺酸)亞胺鋰(LiTFSI)等支持電解質(zhì)的一種或幾種混合，濃度為0.1~3.0M。推薦濃度為0.7-1.5M。有機(jī)溶劑為乙腈(AN)、碳酸丙稀酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、二甲氧乙烷(DME)、Y-丁內(nèi)酯(GBL)等中的一種或一種的混合。防護(hù)性空氣電極由空氣電極和防水透氣膜組成，空氣電極由碳材料和粘結(jié)劑組成，視實(shí)際使用情況可加催化劑按一定比例制成漿料后，將其均勻涂覆在泡沫鎳上，經(jīng)輥壓制成空氣電極；碳材料為乙炔黑、超導(dǎo)碳黑、石墨烯、BP2000和KB等中的一種或幾種；粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等中的一種；催化劑可為 Pt、Pt-Au、Pd、PdCo、MnO2、Co304、Fe3O4, MnOOH、Mn3O4 和 Fe2O3 中的一種或幾種；透氣膜由聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等中的一種或幾種組成。將鋰陽極、隔膜、防護(hù)性空氣電極、密封圈依次疊放在負(fù)極電池殼內(nèi)，再蓋上正極電池殼，封口后即制得本發(fā)明所述的可在空氣中工作的扣式鋰空電池。
[0006]本發(fā)明提供的扣式鋰空電池，由于采用了防護(hù)性的空氣電極，即可抑制空氣中水分的進(jìn)入，又可抑制電池內(nèi)部電解液的揮發(fā)，環(huán)境適應(yīng)性好，適宜在空氣中工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1鋰空氣電池在25°C相對濕度為30%的恒溫恒濕箱中的放電曲線
[0008]圖2鋰空氣電池在環(huán)境空氣中的放電曲線
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明的具體實(shí)施例如下，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0010]對比例I
[0011]空氣電極的制作:將碳材料(科琴黑ECP600JD)與適量超純水混合，攪拌30min后，加入PTFE乳濁液，繼續(xù)攪拌lh，碳材料與PTFE的質(zhì)量比為85:15，然后將其均勻涂覆在泡沫鎳上，經(jīng)輥壓制成空氣電極。
[0012]扣式電池的制作:在手套箱中，將空氣電極浸泡在IM LiPF6 EC:PC(1:1, vol%)中，待空氣電極全部潤濕后，取出，用紙巾將表面電解液擦凈；將金屬鋰、PP/PE/PP隔膜、空氣電極、密封圈依次疊放在負(fù)極電池殼內(nèi)，再蓋上正極電池殼(通氣孔直徑為2mm),封口后取出，得到鋰空電池。
[0013]實(shí)施例1
[0014]采用對比例I制作的空氣電極制作扣式鋰空電池?？凼诫姵氐闹谱鞣椒ㄅc對比例I相同，不同的是在空氣電極與密封圈之間加PDMS防水透氣膜，得到鋰空電池。
[0015]實(shí)施例2
[0016]采用對比例I制作的空氣電極制作扣式鋰空電池?？凼诫姵氐闹谱鞣椒ㄅc實(shí)施例1相同，不同的是在空氣電極與密封圈之間加PDMS和E膜，得到鋰空電池。
[0017]將對比例1、實(shí)施例1和實(shí)施例2制得的鋰空電池，放在25°C、相對濕度為30%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行放電，電流密度為0.1mA/cm2，截止電壓為1.5V，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，由于PDMS和PE具有較好的抑制水分進(jìn)入和防止電解液揮發(fā)的作用，在空氣電極外加一層PDMS膜后，電池的放電時(shí)間從205h提高到333.2h，而在PDMS的基礎(chǔ)上再加上一層PE膜后，電池的放電時(shí)間可延長至476h。
[0018]經(jīng)實(shí)施例2制得的鋰空電池放在環(huán)境空氣中放電，電流密度為0.1mA/cm2，截止電壓為1.5V，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，本發(fā)明提供的鋰空電池具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，在環(huán)境空氣中，電池的放電時(shí)間在317.6h。
[0019]以上具體實(shí)施例僅為本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其對本發(fā)明而言是說明性的，而非限制性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不超出本發(fā)明精神和范圍的情況下，對之進(jìn)行變換、修改甚至等效，這些變動(dòng)均會(huì)落入本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種可在空氣中工作的扣式鋰空電池，其特征在于所述的扣式鋰空氣電池是由扣式電池殼，鋰陽極、隔膜、電解液、防護(hù)性空氣電極、密封圈組成；其中， ①在扣式電池的正極殼上開一個(gè)或多個(gè)通氣孔，以提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧氣； ②防護(hù)性空氣電極由空氣電極和防護(hù)膜組成，該防護(hù)膜能夠抑制空氣中水分的侵入，同時(shí)能夠阻止電池內(nèi)部電解液的揮發(fā)； ③電池的密封性由密封圈來實(shí)現(xiàn)； ④所述的電解液是由高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性的有機(jī)溶液和鋰鹽混合組成，鋰鹽的濃度為0.1-3.0M ； ⑤將鋰陽極、隔膜、防護(hù)性空氣電極、密封圈依次疊放在負(fù)極電池殼內(nèi)，再蓋上正極電池殼，封口后即制得本發(fā)明所述的可在空氣中工作的扣式鋰空電池。
2.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于扣式電池的正極殼上的通氣孔直徑為 0.5~1 Smnin
3.按權(quán)利要求1或2所述的扣式鋰空電池，其特征在于通氣孔直徑為1-3_。
4.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于鋰鹽濃度為0.7-1.5M。
5.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于所述的扣式電池殼為CR1130、CR1220、CR1616、CR1620、CR2016、CR2025、CR2032、CR2330、CR2430、CR2450 和 CR2477 中的任意一種。
6.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于所述的鋰陽極由金屬鋰、鋰硅合金、鋰硼合金、鋰鋁合金中的一種或幾種構(gòu)成；所述的隔膜為PP、PE或PP/PE/PP膜。
7.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于所述的鋰鹽為六氟砷酸鋰LiAsF6、六氟磷酸鋰LiPF6、四氟硼酸鋰LiBF4、高氯酸鋰LiClO4、三氟甲基磺酸鋰LiCF3S03、:(三氟甲基磺酸)亞胺鋰LiTFSI中的一種或幾種混合，有機(jī)溶劑為乙腈AN、碳酸丙稀酯PC、碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸甲乙酯EMC、二甲氧乙烷DME、Y - 丁內(nèi)酯GBL中的任意一種或幾種的混合。
8.按權(quán)利要求1所述的扣式鋰空電池，其特征在于所述的防護(hù)性空氣電極由空氣電極和透氣膜組成，空氣電極由碳材料和粘結(jié)劑組成，視實(shí)際應(yīng)用情況可加入適量的催化劑；碳材料為乙塊黑、超導(dǎo)碳黑、石墨稀、BP2000和KB中的一種或幾種；粘結(jié)劑為聚四氣乙稀PTFE、聚偏氟乙烯 PVDF 等中的一種；催化劑可為 Pt、Pt-Au, Pd、PdCo, MnO2, Co3O4, Fe3O4,MnOOH^Mn3O4,Fe2O3中的一種或幾種；透氣膜由聚四氟乙烯PTFE、聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET中的任意一種或幾種組成。
9.按權(quán)利要求1或8所述的扣式鋰空電池，其特征在于所述的透氣膜為PDMS或在PDMS膜外層再加一層PE膜。
【文檔編號】H01M2/14GK103579715SQ201210270493
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】謝曉華, 康亞楠, 婁豫皖, 張建, 夏保佳 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所