一种可弯曲单基板锂-空气电池串联结构制造技术

本发明专利技术公开了一种单基板锂-空气电池串联结构。该结构以柔性基板为底层，自下而上分别加工图案化的导电涂层、金属锂负极、绝缘隔层、空气电极和阻水透气膜。发明专利技术所述的单基板锂-空气电池串联结构具有柔性可弯曲的结构特点，提高电池组件的适用性和安全性；实现单基板上制备正负极材料，降低电池系统质量，提高能量密度；通过导电涂层图案化参数的变化，实现串联组件输出电流和电压的调控。

Lithium ion battery series structure capable of bending single substrate

The invention discloses a lithium air battery series structure with a single substrate. The structure of the utility model is characterized in that a flexible substrate is used as a bottom layer, and a patterned conductive coating, a lithium metal anode, an insulating interlayer, an air electrode and a water blocking and breathable film are respectively processed from the bottom to the top. Lithium air battery single substrate provided by the invention has the structural characteristics of series structural flexibility, improve the applicability and safety of battery components; preparation of cathode materials and achieve single substrate, reduce battery system quality, improve the energy density; by changing the parameters of patterned conductive coating, controlling the output current of series components and voltage.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学电源领域，具体涉及一种锂-空气电池结构。
技术介绍
科学和技术的进步推动着制造业的不断升级，能源的供给、使用和存储作为基础支撑着整个产业升级。化石能源日益枯竭，生态污染不断加重，全球气候不断变暖，如何洁净地使用能源成为人类社会无法回避的关键课题。电池替代传统的化石燃料驱动机动车等动力设备成为学术界和产业界共同关注的热点。经过二十多年的发展，锂离子电池的容量密度已经逐渐接近其理论极限，然而其作为动力电池驱动电动车行驶的里程普遍小于100英里，无法满足实际的需求。锂-空气电池负极采用最高电化学容量的金属锂(2860mAh/g)，正极的活性反应物来源于外界空气，因而锂-空气电池的理论能量密度可以达到11680Wh/kg，将其作为动力电池一次充电驱动电动车可以达到300英里以上，达到了化石燃料的水平。随着学术界和工业界的持续研究和投入，锂-空气电池被广泛认为是锂离子电池的理想替代者用来驱动动力汽车。考虑到材料成本和使用安全，有机电解质体系的锂-空气电池成为研究主体。经过大量的研究积累，正/负极材料和电解液得到广泛的开发，电池充放电机制和各部分之间的协同效应得到了深入的研究。然而，针对锂-空气电池的性能研究普遍采用简单的片层堆叠结构和复杂的外部金属装置，测试的容量和循环性能仅针对材料的特性，无法反映电池的整体性能。美国西北太平洋国家实验室的JiguangZhang及其合作者，通过将“空气电极-锂带-空气电极”结合其他电池元件通过层压封装于外部保护材料中，制成典型的“三明治结构”的软包装锂-空气电池，进而评测电池的性能。尽管这种“三明治结构”可以用来评测电池的整体性能，考虑到这种简单堆叠结构层数进一步提高后，无法解决内部空气电极对气体扩散的要求和金属锂负极对空气的敏感性，限制能量密度和安全性能。因而，如何进一步提高电池的能量密度、实现电池的柔性可弯曲和调节输出电流与电压成为锂-空气实际应用的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单基板锂-空气电池串联结构，提高电池的能量密度、实现电池的柔性可弯曲和调节输出电流与电压。一种可弯曲单基板锂-空气电池串联结构，包括柔性基板、金属锂负极、空气电极，于柔性基板的上表面从左至右依次顺序设置有2个以上的条状导电涂层，相邻导电涂层间留有间隙；于每一个导电涂层上均设置有绝缘隔层，绝缘隔层的下表面设有凹槽，凹槽内放置有金属锂负极，金属锂负极与导电涂层上表面相接触；绝缘隔层的下表面右侧边缘向下延伸至相邻导电涂层的间隙内，使相邻导电涂层间通过绝缘隔层相间隔；绝缘隔层的下表面左侧边缘与导电涂层上表面相接触；于绝缘隔层上表面设有空气电极，空气电极右侧边缘向下延伸至与空气电极所在条状导电涂层相邻的、且处于它们右侧的导电涂层上，并与它们右侧的导电涂层相接触；于空气电极上表面设有阻水透气膜，阻水透气膜的右侧和左侧边缘分别向下延伸并与导电涂层上表面相接触；空气电极处于绝缘隔层和阻水透气膜之间，于绝缘隔层和阻水透气膜间设有条状阻水透气膜，条状阻水透气膜将空气电极从左至右依次顺序分隔成2个以上单元。于空气电极和绝缘隔层中浸润有电解液。于每个空气电极单元所在的阻水透气膜上均分别开设有注液孔，注液孔采用密封胶封堵密封。所述柔性基板为一平板，金属锂负极为长条状结构。所述柔性基板一般为对有机溶剂具有良好稳定性的绝缘材料，可以是单组份材料(如：聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等高分子材料)或复合材料(如：聚对苯二甲酸乙二醇酯-镀铝/聚乙烯/增强层/聚乙烯等金属-聚合物复合材料，表面阳极氧化的铝金属薄膜进行绝缘化处理的表面钝化金属薄膜)；所述导电涂层包括结合掩膜技术直接生成和结合刻蚀技术间接生成的图案化的导电涂层；所述结合掩膜技术直接生成图案化的导电层包括：通过掩膜板遮盖部分柔性基底，针对未遮盖的部分柔性基底进行印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成图案化的导电涂层；通过将柔性基底涂覆光刻胶，进行光刻-曝光-显影-刻蚀方法形成掩膜遮盖部分柔性基底，针对未遮盖的部分柔性基底进行印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成图案化的导电涂层，再选择性除去光刻胶。所述结合刻蚀技术间接生成图案化的导电涂层包括：对柔性基底进行刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成导电涂层，通过掩膜板或者光刻胶掩膜(涂覆-光刻-曝光-显影-刻蚀)遮盖部分导电涂层，通过刻蚀技术(光刻蚀、X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、阳极氧化等)除去未遮盖的导电涂层实现图案化；对柔性基底进行刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成导电涂层，通过刻蚀技术(X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、激光刻蚀等)除去部分导电涂层实现图案化。所述导电涂层可以是通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成的导电聚合物(如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等)、金属(如铜、镍、铝、银等)、无机化合物(如掺铟氧化锡、掺氟氧化锡等)等。所述绝缘隔层可以通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成的绝缘聚合物(如环氧树脂、聚酯、聚氨酯、有机硅树脂、聚酰亚胺醇酸树脂等)和绝缘无机化合物(如氧化锆、氧化硅等)。所述空气电极可以是通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成的碳基材料(如石墨烯、碳纳米管、商业碳粉等)、无机化合物(如锰氧化合物、钴氧化合物、钌氧化合物、氮化钛、碳化钛等)、金属(如金、银、铂等)。所述阻水透气膜可以是高分子材料(如聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚偏氟乙烯等)，无机材料(如Li1.35T1.75Al0.25P2.7Si0.3O12)，无机-聚合物复合材料(如泡沫镍复合聚二甲基硅氧烷等)。所述注液孔为阻水透气膜表面预留的孔道，电解液通过真空负压回填技术浸入整个电池内部。所述电解液为三氟甲基磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酰锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂等电解质盐和四乙二醇二甲醚、二甲基亚砜、丙烯酯等电解质溶剂组成。所述密封胶为紫外线固化胶。本专利技术的有益效果：本专利技术锂-空气电池没有传统锂-离子电池、锂-硫电池和燃料电池将正极-隔膜-负极作为单元在竖直方向上不断堆叠构成叠片电池，解决了空气电极对气体扩散的要求和金属锂负极对反应气的敏感性的问题，实现锂-空气电池的可弯曲性和耐压性；不同单元之间的正极和负极通过导电涂层连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可弯曲单基板锂‑空气电池串联结构，包括柔性基板、金属锂负极、空气电极，其特征在于：于柔性基板的上表面从左至右依次顺序设置有2个以上的条状导电涂层，相邻导电涂层间留有间隙；于每一个导电涂层上均设置有绝缘隔层，绝缘隔层的下表面设有凹槽，凹槽内放置有金属锂负极，金属锂负极与导电涂层上表面相接触；绝缘隔层的下表面右侧边缘向下延伸至相邻导电涂层的间隙内，使相邻导电涂层间通过绝缘隔层相间隔；绝缘隔层的下表面左侧边缘与导电涂层上表面相接触；于绝缘隔层上表面设有空气电极，空气电极右侧边缘向下延伸至与空气电极所在条状导电涂层相邻的、且处于它们右侧的导电涂层上，并与它们右侧的导电涂层相接触；于空气电极上表面设有阻水透气膜，阻水透气膜的右侧和左侧边缘分别向下延伸并与导电涂层上表面相接触；空气电极处于绝缘隔层和阻水透气膜之间，于绝缘隔层和阻水透气膜间设有条状阻水透气膜，条状阻水透气膜将空气电极从左至右依次顺序分隔成2个以上单元。

【技术特征摘要】
1.一种可弯曲单基板锂-空气电池串联结构，包括柔性基板、金属锂负极、空
气电极，其特征在于：
于柔性基板的上表面从左至右依次顺序设置有2个以上的条状导电涂层，相
邻导电涂层间留有间隙；于每一个导电涂层上均设置有绝缘隔层，绝缘隔层的下
表面设有凹槽，凹槽内放置有金属锂负极，金属锂负极与导电涂层上表面相接触；
绝缘隔层的下表面右侧边缘向下延伸至相邻导电涂层的间隙内，使相邻导电
涂层间通过绝缘隔层相间隔；绝缘隔层的下表面左侧边缘与导电涂层上表面相接
触；
于绝缘隔层上表面设有空气电极，空气电极右侧边缘向下延伸至与空气电极
所在条状导电涂层相邻的、且处于它们右侧的导电涂层上，并与它们右侧的导电
涂层相接触；
于空气电极上表面设...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宝山，张华民，张益宁，王倩，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21