一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法技术

本发明专利技术为一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法。该方法包括以下步骤：1）将科琴黑和聚四氟乙烯乳液混合，制成浆料；2）向浆料中滴加无水乙醇；3）静置挥发为原来质量的35~65%，得到泥状原料，将泥状原料压制成10‑30微米厚的催化剂炭膜；4）将催化剂炭膜干燥后，与疏水碳纸复合压制，得到环境空气中锂空气电池的电极。本发明专利技术直接采用商业化碳材料科琴黑作为电极材料，不需要复杂的电极材料的制备过程，材料易得，工艺简单；限定容量500mAh/g的前提下在环境空气中能稳定循环充放电90圈以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂空气电池电极的制备方法，更具体地说，是涉及一种可直接环境空气中运行的可充电锂空气电池电极的制备方法，属于化学电源及相关领域。
技术介绍
锂空气电池的理论比容量是现在普通锂离子电池的10倍左右，这意味着电池能够储存更多的能量。对于解决当前的环境污染和能源短缺问题来说，锂空气电池作为新一代的储能技术显得尤为重要。锂空气电池作为一个开放体系，当前大部分的研究是将其置于纯净氧气氛围中来运行，回避了空气中水蒸气、二氧化碳、氮气和灰尘等其他污染物的影响。而在实际的应用过程中则必须在开放的环境空气中运行，现在在环境空气中运行的锂空气电池一部分研究是将锂空气电池直接作为一次电池，不考虑进行充电；另一些研究则采用固态电解质或外加防水透气膜来在空气中反复使用，这增加了工艺的复杂性和制造成本。因此，开发一种工艺简单，成本低廉，高效可行的并且能够直接在环境空气中反复充电使用的锂空气电池电极的制备方法具有重要意义。现有技术中，CN103579715A公开了一种可在空气中工作的扣式锂空气电池，其防护性空气电极由空气电极和防护膜组成，这增加了工艺复杂性和成本。且该锂空气电池在空气中只能一次性放电，不能充电而重复使用。此外，该专利技术测试条件除了室温外，还规定湿度为30％，这不贴近实际。CN103367840A公开了一种基于碳纤维膜集流体的锂空气电池的制备方法，该专利将12％的聚四氟乙烯与碳纳米管按质量比70:30混合均匀擀膜制备防水透气膜。该专利在组装的扣式锂空气电池中还外加了吸液膜，并且该专利在集流体上沉积了纳米粒子阵列，工艺复杂，也增加了制造的难度。CN101267057A公开了一种高比能可充电式全固态锂空气电池。该专利采用了固态电解质，固态电解质又采用多层超薄LIPON/高分子的混合膜，无疑大大增加了制备难度和成本。该专利正极采用介孔碳/氧化锰复合材料，需要高温焙烧制备，空气电极制备时间周期变长，能耗增加。P.Tan等(Energy&EnvironmentalScience,2016，5：1783-1793)采用RuO2/NiO为空气电极的材料，而钌是贵金属，镍又存在安全性问题，并不适于推广。YeZhang等(Angew.Chem.Int.Ed,2016，14：4487-4491)锂空气电池采用全固态电解质在空气中运行，额外的电解质制备增加成本。ShitingHuang等(ElectrochimicaActa,2016,191:473-478)采用垂直碳纳米管阵列生长到不锈钢上来制备空气电极，这种方法工艺复杂，碳纳米管价格也比较昂贵，环境空气条件限定温度为26℃，湿度为40％，对环境条件要求苛刻。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法。该方法采用商业化碳材料科琴黑作为电极材料，并以疏水碳纸同时作为集流体和疏水层，制得的锂空气电池在室温(25±2℃)环境空气中测试，不限定空气湿度，完全为真实空气环境。本专利技术材料易得，制备过程和工艺简单；电极组装的锂空气电池无需防护，便可直接在环境空气中运行，不需要额外固态电解质或防水透气膜来保护，成本低廉。本专利技术的技术方案为：一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法，包括以下步骤：1)将科琴黑和聚四氟乙烯乳液混合，制成浆料一；所述浆料中科琴黑质量的百分数为80-90％；聚四氟乙烯乳液为质量百分数为10～15％的水溶液；2)向上述浆料中滴加无水乙醇，然后混合，得到浆料二；其中，每30～80mg浆料滴加2～8滴无水乙醇；3)将浆料二静置挥发为原来质量的35～65％，得到泥状原料，将泥状原料压制成10-30微米厚的催化剂炭膜；4)将催化剂炭膜干燥后，与疏水碳纸复合压制，得到环境空气中锂空气电池的电极；其中，压制压力为0.1～4Mpa。所述环境空气中锂空气电池电极的应用，用于组装直接在环境空气中运行的可充电锂空气电池。本专利技术的有益效果是：该环境空气中锂空气电池电极的制备方法直接采用商业化碳材料科琴黑作为电极材料，不需要复杂的电极材料的制备过程，材料易得，工艺简单；如图2所示，催化剂炭膜与疏水碳纸复合电极组装的锂空气电池无需防护，便可直接在环境空气中运行，不需要额外固态电解质或防水透气膜来保护，成本低廉；电极组装的锂空气电池测试在室温(25±2℃)环境空气中，不限定空气湿度，贴近实际；高效可行，如图3所示，限定容量500mAh/g的前提下在环境空气中能稳定循环充放电90圈以上。该专利技术显著提高了锂空气电池的充放电循环性能。文献中ShitingHuang等(ElectrochimicaActa,2016,191:473-478)采用垂直碳纳米管阵列生长到不锈钢上来制备空气电极，环境空气条件限定温度为26℃，湿度为40％。限定容量500mAh/g的前提下，电池能稳定循环充放电50圈。此文献中，所采用材料为碳纳米管，比科琴黑的成本要高；采用在不锈钢上生长垂直碳纳米管的方法制备电极，工艺更加复杂；环境空气人为控制湿度为40％，不贴近实际；最后电极所组装的锂空气电池充放电循环仅仅只有50圈，循环性能只有本专利(95圈)的一半。本专利采用科琴黑以一种简单的方法制备空气电池，并在环境空气中达到了文献中近2倍的循环性能。附图说明图1为实施例1中步骤3压制得到的催化剂炭膜。图2为直接在环境空气中运行的可充电锂空气电池示意图。图3为实施例1得到的电极组装的可充电锂空气电池直接在环境空气中的充放电循环曲线。图4为对比例1当前技术中碳纳米管制备的空气电极组装的可充电锂空气电池直接在环境空气中的充放电循环曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。实施例1：一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法，步骤如下：1)将18mg科琴黑和20mg质量百分数为百分之十的聚四氟乙烯乳液(溶剂为水)充分混合，制成浆料一；2)向上述浆料中滴加4滴无水乙醇，然后混合均匀，得到浆料二；3)将浆料二静置挥发为原来质量的60％左右，得到泥状原料，将泥状原料压制成20μm左右厚的催化剂炭膜；4)将催化剂炭膜干燥后，与疏水碳纸(河森,型号：HCP010，P/防水)在大约2Mpa的压力下复合压制，得到环境空气中锂空气电池的电极。图1为科琴黑所擀制催化剂炭膜。炭膜厚度均匀，形貌呈现多孔结构，这有利于电极在锂空气电池中电解液的渗透和氧气的扩散。所述的环境空气中锂空气电池电极的应用，用于组装直接在环境空气中运行的可充电锂空气电池，方法是在充满氩气氛围的手套箱中组装电池型号为CR2032的扣式锂空气电池。该方法为公知技术，简述如下：在充满氩气氛围的手套箱中，按照图2所述将1扣式锂空气电池负极壳、2弹片、3垫片(直径为16mm)、4锂片(直径为13mm)、8电解液(0.5MLiClO4/TEGDME)、5隔膜(Celgard2400，直径为16mm)、8电解液(0.5MLiClO4/TEGDME)、6科琴黑制备的空气电极和7扣式锂空气电池正极壳的顺序组装扣式锂空气电池，得到的扣式锂空气电池在环境空气中静置2～10个小时，采用arbin电池测试系统在室温(25±2℃)环境空气中，电池在限定容量500mAh/g的前提下测试，得到图3的充放电循环曲线，循环充放电95圈。图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：1）将科琴黑和聚四氟乙烯乳液混合，制成浆料一；所述浆料中科琴黑质量的百分数为80‑90%；聚四氟乙烯乳液为质量百分数为10~15%的水溶液；2）向上述浆料中滴加无水乙醇，然后混合，得到浆料二；其中，每30 ~ 80mg浆料滴加2～8滴无水乙醇 ；3）将浆料二静置挥发为原来质量的35~65%，得到泥状原料，将泥状原料压制成10‑30微米厚的催化剂炭膜；4）将催化剂炭膜干燥后，与疏水碳纸复合压制，得到环境空气中锂空气电池的电极；其中，压制压力为0.1～4 Mpa。

【技术特征摘要】
1.一种环境空气中锂空气电池电极的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：1）将科琴黑和聚四氟乙烯乳液混合，制成浆料一；所述浆料中科琴黑质量的百分数为80-90%；聚四氟乙烯乳液为质量百分数为10~15%的水溶液；2）向上述浆料中滴加无水乙醇，然后混合，得到浆料二；其中，每30~80mg浆料滴加2～8滴无水乙醇；3）将...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁轶，雷晓峰，鲁姗姗，刘喜正，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12