一种含水锂空气电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种含水锂空气电池及其制备方法和应用。所述制备方法包括：将金属锂负极、多孔空气电极、含水有机电解液体系组装成锂空气电池后，将其在纯氧气下进行高电流预处理；所述预处理周期为5‑50，预处理电流密度为0.8‑4.0mA/cm

【技术实现步骤摘要】
一种含水锂空气电池及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种含水锂空气电池及其制备方法和应用。
技术介绍
本专利技术
技术介绍
中，公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。日益严峻的能源危机及环境污染问题，使传统依赖化石燃料的交通运输工具的发展受到限制，近些年，新型储能系统，尤其是以可充电池提供能量来源的电动汽车及混合电动汽车，得到了大幅度发展。然而市场上最为广泛使用的锂离子电池，其实际能量密度远远无法达到人类对远距离交通的需求。锂空气电池，以金属锂为负极，氧气为正极，实际能量密度与石油相当，有望实现电动汽车一次充电运输500公里，而基于有机体系电解液的锂空气电池由于其较好的电化学性能得到了大量发展。然而，锂空气电池面临开放的氧气或空气工作环境，来自液态电解质中的残留水分或大气中的水分，不可避免，然而水分的存在会引起金属锂负极的水解，增加电池极化，大大恶化了锂空气电池的循环稳定性，导致电池寿命终结，并存在爆炸的危险性。专利文献CN102124601A公开了一种可构造含水锂/空气电池组电池，该电池包括受保护的锂电极、在阴极隔室中的含水有机电解液及空气阴极，通过溶解在阴极电解液中的活性物质参与电池反应并排出使阴极隔室吸湿的产物，除去环境空气中的水，延长放电，提高电池的能量密度。然而，专利技术人研究后认为：该锂空气电池组结构复杂，主要是通过除去电池中的水达到目的，且无法确定能否改善电池的循环寿命。专利文献CN103123998A公开了一种制备水体系的锂空气电池的方法，通过在锂金属负极表面疏水保护膜，隔绝水对锂负极的侵蚀，实现锂空气电池在水性电解液中良好的化学稳定性和机械性能。然而，专利技术人研究后认为：锂空气电池在水系电解液中的容量远不如有机电解液体系，且该非原位法形成的锂负极保护层厚度不易控制，保护层与负极之间的界面问题难以解决，容易引起电池内部阻抗增加，削弱电池性能。专利文献201910020498.0公开了一种基于锂合金负极的锂空气电池，其将以锂合金作为负极的锂空气电池置于无水气体氛围中，进行高电流预处理，从而在锂负极表面形成含异相金属的氧化膜复合SEI保护膜，有效阻隔锂空气电池中电解液、水、溶解氧、二氧化碳等对负极的侵蚀，并引导锂离子在负极表面均匀沉积，有效抑制锂枝晶的发生，使电池的循环稳定性及安全性得到大幅度提高。然而，专利技术人认为：上述技术是利用受保护的锂合金作为负极，并未提及对有机电解液中痕量水的利用及高电流下对纯锂负极的保护。
技术实现思路
为解决来自有机电解液中残余水分或潮湿空气对金属锂负极的水解、侵蚀反应，并抑制锂枝晶，提高锂空气电池循环寿命及安全性，本专利技术认为：如何有效利用有机电解液中痕量的水分，提高锂金属的稳定性，延长锂空气电池电化学循环稳定性及循环寿命，对实现锂空气电池的实际应用至关重要。为此，本专利技术提供一种含水锂空气电池及其制备方法和应用。本专利技术充分利用电解液中的痕量水分，并通过一种简单高效的高电流密度预先处理的方法，使锂空气电池中金属锂原位生成一层富含氧化锂的SEI保护膜，抑制锂枝晶及水的危害性，电池寿命得到大幅度提高，使锂空气电池更加安全可靠。本专利技术的第一目的，是提供一种含水锂空气电池。本专利技术的第二目的，是提供所述含水锂空气电池的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开一种含水锂空气电池，包括：金属锂负极、多孔空气电极、含水有机电解液体系；其中，所述负极材质为经过原位高电流预处理且表面含有丰富氧化锂SEI保护膜的锂金属材料；所述含水有机电解液体系位于正负极之间。作为进一步的技术方案，所述含水有机电解液体系主要包括：痕量水、锂盐、电解液溶剂及玻璃纤维隔膜。作为进一步的技术方案，所述锂盐包括：硝酸锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂、二甲酸硼酸锂或草酸二氟硼酸锂中的任意一种或几种。作为进一步的技术方案，所述锂盐在电解液体系中的摩尔浓度为0.5mol/L-2mol/L。作为进一步的技术方案，所述电解液溶剂包括：乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚(TEGDME)、N,N-二四基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜(DMSO)中的任意一种。作为进一步的技术方案，所述痕量水的含量为100ppm-5000ppm。作为进一步的技术方案，所述锂金属材料为纯锂金属。作为进一步的技术方案，所述空气电极包括多孔集流体和催化剂。作为进一步的技术方案，所述集流体包括：碳纸或泡沫镍。作为进一步的技术方案，所述催化剂包括：碳基、金属基中的任意一种或两者的复合催化剂。其次，本专利技术公开所述含水锂空气电池的制备方法：将金属锂负极、多孔空气电极、含水有机电解液体系组装成锂空气电池后，将其在纯氧气下进行高电流预处理。作为进一步的技术方案，所述预处理周期为5-50，预处理电流密度为0.8-4.0mA/cm2，优选为1-4mA/cm2，例如1mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2,预处理后，锂金属负极表面生成一层富含氧化锂SEI保护膜。作为进一步的技术方案，所述锂空气电池经预处理后，在较低的电流密度下进行正常的电化学循环，工作电流0.01-0.5mA/cm2，工作环境为纯氧气或干燥空气。最后，本专利技术公开所述含水锂空气电池在储能装置、储能材料的制备等中的应用。与现有技术相比，本专利技术取得了以下有益效果：(1)本专利技术可有效利用商业电解液中残留的痕量水或来自工作环境中的适量水分，经过简单的高电流预处理，锂金属负极表面形成一层富含氧化锂的保护膜，稳定锂负极界面，避免电解液等对负极的侵蚀，抑制锂枝晶生长，大幅度提高锂空气电池的循环寿命及安全性。(2)本专利技术基于电解液中痕量水的锂空气电池拥有超长寿命，其循环寿命可超过150周期。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例1中高电流预处理后锂金属负极的扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例1中高电流预处理后锂金属负极表面锂元素XPS峰。图3为本专利技术实施例1中高电流预处理30周期后锂空气电池的正常电流下的充放电曲线。图4为本专利技术实施例1中预处理后锂空气电池负极循环270周期后的扫描电镜照片。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所述，锂空气电池面临开放的氧气或空气工作环境，来自液态电解质中的残留水分或大气中的水分，不可避免，然而水分的存在会引起金属锂负极的水解，增加电池极化，大大恶化了锂空气电池的循环稳定性，导致电池寿命终结，并存在爆炸的危险性。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含水锂空气电池，其特征在于，包括：金属锂负极、多孔空气电极、含水有机电解液体系；其中，所述负极材质为经过原位高电流预处理且表面含有丰富氧化锂SEI保护膜的锂金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种含水锂空气电池，其特征在于，包括：金属锂负极、多孔空气电极、含水有机电解液体系；其中，所述负极材质为经过原位高电流预处理且表面含有丰富氧化锂SEI保护膜的锂金属材料。2.如权利要求1所述的含水锂空气电池，其特征在于，所述含水有机电解液体系主要包括：痕量水、锂盐、电解液溶剂及玻璃纤维隔膜。3.如权利要求2所述的含水锂空气电池，其特征在于，所述锂盐包括：硝酸锂、高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂、二甲酸硼酸锂或草酸二氟硼酸锂中的任意一种或几种；优选地，所述锂盐在电解液体系中的摩尔浓度为0.5mol/L-2mol/L。4.如权利要求2所述的含水锂空气电池，其特征在于，所述电解液溶剂包括：乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、N,N-二四基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜中的任意一种。5.如权利要求2所述的含水锂空气电池，其特征在于，所述痕量水的含量为100ppm-50...

【专利技术属性】
技术研发人员：慈立杰，郭焕焕，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37