锂空气电池组制造技术

本发明专利技术提供锂空气电池组，所述锂空气电池组包括：用空气至少部分填充的气体扩散层，所述气体扩散层包括电子传导性材料作为阴极；用电解质至少部分浸渍的过滤片，所述过滤片包括非电子传导性材料作为阳极和阴极之间的隔膜；和阳极，所述阳极包括锂金属、锂金属合金或氧化锂‑金属混合物，其中电解质包括疏水离子液体和锂盐，并且其中在气体扩散层的至少一个点处，气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触。还提供用于制备所述电池组的方法和所述电池组在机动车辆中的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及锂空气电池组，其制备方法和所述电池组在机动车辆中的用途。锂氧(Li-O2)电池组(或通常被称为锂空气电池组)被视为具有发展潜力的技术。理论上这种技术提供与汽油相似的比能和能量密度。因此电动汽车似乎有可能使用这种技术实现550km和更长的行驶距离。尽管结构上各自明显不同，但是所有锂空气电池组的基本功能原则都基于如下：在放电时，锂金属或锂合金的负电极释放电子，带正电荷的锂离子经由电解质被释放至正电极，在正电极处锂离子与氧气(O2)首先反应成超氧化锂(LiO2)然后形成过氧化锂(Li2O2)。在电池组充电时，该过程逆转：在正电极上释放氧气(O2)，在负电极上沉积金属锂或形成锂合金。MonacoS.，SoaviF.和MastragostinoM.的“RoleofOxygenMasstransportinRechargeableLi/O2BatteriesOperatingwithIonicLiquids”，J.Phys.Chem.Lett.，2013，4，1379-1382公开了以两相反应模式运行的锂氧电池组。具体而言，由N-丁基-N-甲基吡咯烷鎓-双(三氟甲烷磺酰)亚胺和双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(PYR14TFSI:LiTFSI；摩尔比例为9:1)制成的富集氧气的电解质流过电化学电池，所述电化学电池具有锂金属阳极和通过隔膜与阳极分隔的中孔碳阴极。在电池组充电和放电时，出现明显滞后和电解质分解。Jung.H.-G.，HassounJ.，ParkJ.-B.，SunY.-K.和ScrosatiB.的文献“AnImprovedHigh-PerformanceLithium-Air-Battery”，NatureChemistry，2012，4，579-585公开了具有三相反应模式的锂空气电池组，其中使用用导电碳涂覆的碳材料作为阴极并且使用通过玻璃纤维隔膜与阴极分隔的锂箔阳极。四乙二醇二甲醚-三氟甲磺酸锂(TEGDME-LiCF3SO3)充当电解质。在电池组充电和放电时，出现明显滞后并且因此造成相对低的能量效率。待实现的目的在于，提供具有改进性质的锂空气电池组。另一个目的在于，提供所述锂空气电池组的制备方法和用途。通过根据权利要求1所述的锂空气电池组、根据权利要求15所述的方法以及根据权利要求16所述的用途实现所述目的。优选的实施方案描述在从属权利要求中。在根据本专利技术的第一方面中提供了锂空气电池组，所述锂空气电池组包括阴极、隔膜和阳极，其中隔膜在空间上彼此分隔阳极和阴极。阴极为用空气至少部分填充的气体扩散层，所述气体扩散层包括电子传导性材料或优选由其组成。阳极包括选自锂金属、锂金属合金(尤其是锂硅合金或锂锡合金)或氧化锂-金属-混合物及其混合物的材料。隔膜为过滤片，所述过滤片包括非电子传导性材料或优选由其组成。过滤片至少部分地被电解质浸渍。隔膜优选包括选自玻璃纤维、纤维素纤维、有机聚合物及其混合物的材料。作为有机聚合物，尤其优选使用包括选自聚乙烯、聚丙烯及其混合物的聚合单元的聚合物或共聚物。可以将有机聚合物用陶瓷涂覆。尤其优选地，隔膜由一种或多种所述材料组成。电解质包括疏水离子液体和锂盐。优选地，电解质在室温(20℃)和常压下为液态。疏水离子液体充当锂盐的溶剂。电解质除了疏水离子液体之外还可以包括任意量的任意其它疏水溶剂，只要充分满足溶解锂盐的目的。电解质优选包括至少50摩尔％，更优选80摩尔％的疏水离子液体。疏水离子液体可以包括两种或更多种离子液体和/或两种或更多种锂盐。因此有可能控制电解质为液态的温度范围。锂空气电池组被构造成在气体扩散层上存在至少一个点(优选至少一条线)，在所述至少一个点(优选至少一条线)处气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触。根据本专利技术，表述“用空气至少部分填充的气体扩散层”表示气体扩散层除了空气之外还可以用电解质部分填充。根据本专利技术，表述“空气”表示与锂空气电池组相容的至少包括氧气的每种气体或气体混合物。尤其是，表述“空气”包括纯氧气以及锂空气电池组周围的空气。表述“用电解质至少部分浸渍的过滤片”表示除了用电解质之外还可以用空气部分填充的过滤片。通过上述锂空气电池组提供电化学能量储存装置，所述电化学能量储存装置具有稳定可逆的循环性能、高库仑效率和相比于现有技术明显降低的充电电位，即明显减少的电压滞后。电解质优选包括具有不对称结构的脂环族氮阳离子。所述电解质在宽的温度范围内为液态并且特征还在于高电化学稳定性。优选地，氮上的脂环族环具有5至7个包括氮原子的环成员。因此进一步升高电化学稳定性。在一个优选的实施方案中，电解质包括具有不对称结构的脂环族氮阳离子，其中除了脂环族环之外，季氮还被甲基和选自(CH2)n-CH3、(CH2)n-OCH3和(CH2-CH2O)n-CH3的基团取代，其中n＝1-4。因此能够同时实现大温度范围内的液态聚集体状态以及高的电化学稳定性。在一个优选的实施方案中，电解质包括选自N-丁基-甲基吡咯烷鎓、N-甲氧基乙基-N-甲基吡咯烷鎓及其混合物的氮阳离子。在一个特别的实施方案中，电解质包括具有强离域负电荷的阴离子作为阴离子。优选使用氟化磺酰亚胺离子作为阴离子。电解质优选包括双(三氟甲烷磺酰)亚胺根作为阴离子。在一个优选的实施方案中，锂盐包括双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂。在一个优选的实施方案中，锂盐与电解质的摩尔比例为1:20至1:2。在一个优选的实施方案中，气体扩散层包括碳纤维织物或碳纤维非织造织物。在一个优选的实施方案中，将气体扩散层用导电炭黑涂覆。导电炭黑优选根据TIMCAL方法制得。所述方法基于来自碳质原料和石油化学原料的油的部分氧化。所述方法的特征在于保持一定的空气动力学和热力学条件，尤其是低氧化速度并且省略淬火添加剂和其它添加物。因此获得在筛孔数为325的筛上几乎没有残留的材料，所述材料具有极高的纯度。优选使用具有小的比表面积的导电炭黑，例如Super所述导电炭黑具有与乙炔黑相当的链状结构。在一个优选的实施方案中，隔膜为由玻璃纤维组成的过滤片。在一个优选的实施方案中，阳极包括由锂金属组成的箔。在一个优选的实施方案中，将电池组封装成使得空气可以侵入气体扩散层。封装优选在面对阴极的侧面上具有孔，所述孔的尺寸和数量足以透过足够量的空气。在根据本专利技术的第二方面中提供了用于制备锂空气电池组的方法，所述方法包括：在保护气体堆叠：-气体扩散层，所述气体扩散层包括电子传导性材料作为阴极，-用电解质至少部分浸渍的过滤片，所述过滤片包括非电子传导性材料作为阳极和阴极之间的隔膜，和-阳极，所述阳极包括锂金属、锂金属合金或氧化锂-金属混合物，其中电解质包括疏水离子液体和锂盐，并且其中在气体扩散层的至少一个点处，气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触，和封装锂空气电池组，使得空气可以侵入气体扩散层。在本专利技术的第三方面中，要求保护锂空气电池在机动车辆中的用途。图1显示了根据现有技术的具有两相反应模式的锂空气电池组。图2示意性显示了组装之前的封装纽扣电池形式的锂空气电池的根据本专利技术的实施方案。图3显示了根据本专利技术的锂空气电池组的相图，所述相图示意性显示了在气体扩散层中的至少一个点处，气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触。图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂空气电池组，所述锂空气电池组包括：‑用空气至少部分填充的气体扩散层，所述气体扩散层包括电子传导性材料作为阴极‑用电解质至少部分浸渍的过滤片，所述过滤片包括非电子传导性材料作为阳极和阴极之间的隔膜，和‑阳极，所述阳极包括锂金属、锂金属合金或氧化锂‑金属混合物，其中电解质包括液态疏水离子电解质和锂盐，并且其中在气体扩散层的至少一个点处，气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.15 DE 102014209209.41.锂空气电池组，所述锂空气电池组包括：-用空气至少部分填充的气体扩散层，所述气体扩散层包括电子传导性材料作为阴极-用电解质至少部分浸渍的过滤片，所述过滤片包括非电子传导性材料作为阳极和阴极之间的隔膜，和-阳极，所述阳极包括锂金属、锂金属合金或氧化锂-金属混合物，其中电解质包括液态疏水离子电解质和锂盐，并且其中在气体扩散层的至少一个点处，气态空气、液态电解质和固态电子传导性材料这三个相接触。2.根据权利要求1所述的锂空气电池组，其中电解质包括具有不对称结构的脂环族氮阳离子。3.根据权利要求2所述的锂空气电池组，其中脂环族环具有5至7个环成员。4.根据权利要求2或3所述的锂空气电池组，其中除了脂环族环之外，季氮还被甲基和选自(CH2)n-CH3、(CH2)n-O-CH3和(CH2-CH2O)n-CH3的基团取代，其中n＝1-4。5.根据前述权利要求任一项所述的锂空气电池组，其中电解质包括选自N-丁基-N-甲基吡咯烷鎓、N-甲氧基乙基-N-甲基吡咯烷鎓及其混合物的阳离子。6.根据前述权利要求任一项所述的锂空气电池组，其中电解质包括氟化的磺酰亚胺作为阴离子。7.根据前述权利要求任一项所述的锂空气电池组，其中电解质包括双(三氟甲烷磺酰)亚胺作为阴离子。8.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·布里瑟尔，G·A·艾丽娅，J·哈索恩，F·米勒，S·帕塞里尼，B·斯科罗萨蒂，YK·孙，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE