锂空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂空气电池及其制备方法，该锂空气电池包括电芯、内铝塑壳体和外铝塑壳体，所述电芯封装于所述内铝塑壳体中，所述内铝塑壳体上开设有与所述电芯对应的进气窗口；所述内铝塑壳体封装于所述外铝塑壳体中，所述内铝塑壳体和外铝塑壳体之间充有氧气；所述电芯上设有极耳，所述极耳延伸至外铝塑壳体之外，所述极耳上设有用于与所述内铝塑壳体密封粘合的内极耳胶，所述电芯的极耳上还设有用于与所述外铝塑壳体密封粘合的外极耳胶。该制备方法包括：（1）锂空气电池半成品制备；（2）锂空气电池制备。该锂空气电池具有密封及引线结构简单且密封性好，能保证电池内部纯氧环境、携带方便、寿命长等优点。

【技术实现步骤摘要】
锂空气电池及其制备方法
本专利技术属于电池制备
，尤其涉及一种锂空气电池及其制备方法。
技术介绍
高能量密度锂空气电池是最近才开始发展的一种新型电源体系，同时具有结构简单，电极反应可逆的优点。在仅考虑金属锂负极的条件下，锂空气电池的理论能量密度可达到11140Wh/kg（6080Wh/L）。实际上，即使考虑放电过程中放电产物沉积及电池结构设计等因素带来的能量密度损失，其能量密度也是目前锂离子电池能量密度的5到10倍，是目前已知的具有最高理论能量密度的电池体系。然而，锂空气电池的研究刚刚起步，其应用仍面临着巨大的挑战。首先，由于现有锂空气电池性能受空气中水、二氧化碳等杂质影响十分显著，因此目前锂空气电池需在纯氧气氛下工作。为保持锂空气电池工作过程中的纯氧气氛，当前主要采用如下两种方式：（1）在电池上设置进气和出气口，电池工作过程中通过进气口向电池内部持续通入高纯氧气，同时富余的氧气从出气口流出，利用高纯氧气的流动为电池工作提供所需的氧气气氛，并防止外界空气中的水、二氧化碳进入电池内部造成电池性能下降。这种方法主要有以下不足，一是氧气的持续流动会加快电解液的挥发，导致电池最终会因电解液的耗尽而无法工作；二是需要稳定的高纯氧气气源，电池不利于携带，使用环境受到限制；（2）基于不锈钢、聚四氟乙烯、树脂等材料制备密封壳体，利用壳体的密封结构保持电池所处的纯氧气氛。该种方法同样具有缺陷，首先处于壳体内部的电池正负极需要通过引线接出壳体方可工作，引线过程中需要特别设计以防止对壳体整体密封性能的破坏，引线复杂；其次密封壳体材料较重，会影响电池的便携性和整体能量密度，因此上述两种锂空气电池的结构设计均难以体现其性能优势。另外，电解液在电池工作过程中的稳定性是制约锂空气电池性能的关键因素之一。在目前已采用的电解液体系中，基于碳酸酯类溶剂电解液由于会同氧还原产物超氧根离子反应，导致放电最终产物为Li2CO3和多种烷基碳酸锂类化合物；基于醚类和砜类溶剂的电解液虽然是目前广泛采用的一种锂空气电池电解液体系，但因其在电池循环过程会在空气电极表面发生分解，反应副产物会随循环周期的增加在空气电极表面富集造成电池性能下降，所以稳定性仍无法满足锂空气电池的工作要求。除上述电解液体系外，由于酰胺类溶剂对超氧根离子有更好的稳定性和抗电化学氧化性能，基于N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等链状酰胺的电解液体系在锂空气电池中得到了部分应用。但由于酰胺溶剂对锂负极过程的兼容稳定性不佳，循环过程中会导致锂负极过程阻抗的显著增加而引起电池在循环过程中的失效。为改善酰胺类溶剂同锂负极的界面稳定性，目前较为常用的方法是添加硝酸锂和将其与碳酸酯类等溶剂进行混合来提高该类电解液的稳定性能。但由于硝酸锂本身在电池充电过程中会发生氧化导致副反应发生，而碳酸酯类溶剂与目前使用的链状酰胺在混合过程中会产生较大的混合能，导致难以形成理想的均一复合溶剂体系，无法发挥碳酸酯类溶剂对锂负极的保护作用，因此上述改进方法无法有效提升基于酰胺类溶剂在锂空气电池中的应用性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种密封及引线结构简单且密封性好，能保证电池内部纯氧环境、携带方便、寿命长的锂空气电池及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种锂空气电池，包括电芯、内铝塑壳体和外铝塑壳体，所述电芯封装于所述内铝塑壳体中，所述内铝塑壳体上开设有与所述电芯对应的进气窗口；所述内铝塑壳体封装于所述外铝塑壳体中，所述内铝塑壳体和外铝塑壳体之间充有氧气；所述电芯上设有极耳，所述极耳延伸至外铝塑壳体之外，所述极耳上设有用于与所述内铝塑壳体密封粘合的内极耳胶，所述电芯的极耳上还设有用于与所述外铝塑壳体密封粘合的外极耳胶。上述的锂空气电池，优选的，所述氧气纯度为99.99%～99.999%，水含量小于10ppm，压力范围为1atm～2atm。上述的锂空气电池，优选的，所述电芯包括空气正极、隔膜、金属锂负极和电解液，所述空气正极、隔膜和金属锂负极依次叠置，所述隔膜被电解液所浸润。上述的锂空气电池，优选的，所述进气窗口设于内铝塑壳体靠近空气正极并远离金属锂负极的一侧。上述的锂空气电池，优选的，所述极耳包括设于空气正极上的正极极耳，以及设于金属锂负极上的负极极耳。更进一步地，所述极耳的材质为铝或镍，所述内极耳胶和外极耳胶的材质均为三层聚丙烯材料（熔点范围为150℃～180℃），所述内极耳胶和外极耳胶的宽度均为2mm～4mm，厚度均为0.5mm～1mm，内极耳胶和外极耳胶的位置及中心间距可根据实际进行调整，中心间距较优地为8mm～10mm。上述的锂空气电池，优选的，所述电解液包括有机溶剂和溶于所述有机溶剂中的锂盐，所述有机溶剂为多元环状酰胺和碳酸酯组成的混合溶剂。上述的锂空气电池，优选的，所述多元环状酰胺包括N-甲基吡咯烷酮、β-内酰胺、γ-丁内酰胺或γ-戊内酰胺；所述碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙烯酯或碳酸甲乙酯。上述的锂空气电池，优选的，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和碳酸二乙酯组成的混合溶剂（混合能约为0.5kJ/mol）、N-甲基吡咯烷酮与碳酸甲乙酯组成的混合溶剂（混合能约为0.45kJ/mol）或N-甲基吡咯烷酮与碳酸丙烯酯组成的混合溶剂。有机溶剂为最优选为N-甲基吡咯烷酮与碳酸丙烯酯组成的混合溶剂（混合能约为0.4kJ/mol）。上述的锂空气电池，优选的，所述内酰胺的体积分数为50%～80%，所述碳酸酯的体积分数为20%～50%；所述锂盐在锂空气电池用复合电解液体系中的摩尔浓度为0.05mol/L～1mol/L。更近一步地，锂盐包括高氯酸锂、六氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂或双草酸硼酸锂；优选为高氯酸锂。优选的，上述的电解液的制备方法，包括以下步骤：S1：将内酰胺和碳酸酯分别在氩气气氛下进行干燥，至含水率在10ppm以下；S2：在氩气气氛下按比例量取步骤S1干燥后的内酰胺和碳酸酯，混合均匀后加入锂盐，在磁力搅拌使锂盐溶解，再加入金属锂，干燥至含水率在10ppm以下，得到锂空气电池用复合电解液体系。所述步骤S1中，氩气纯度较优地为99.99%～99.999%，利用干燥剂对内酰胺和碳酸酯进行干燥，干燥剂较优地为4A分子筛，干燥剂体积为内酰胺或碳酸酯体积的5%～10%，干燥时间为12h～24h，水含量优选采用卡尔费休法测得。所述步骤S2中，干燥时间为12h～24h。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：（1）将连有正极极耳的空气正极与内铝塑预壳体设有进气窗口的一侧热压贴合，在氩气保护气氛下，将隔膜和连有负极极耳的金属锂负极置于内铝塑预壳体中，并按空气正极、隔膜和金属锂负极的顺序叠置；将电解液加入内铝塑预壳体中，对所述内铝塑预壳体进行封边，形成内铝塑壳体，所述正极极耳和负极极耳分别延伸至内铝塑壳体之外，所述正极极耳和负极极耳分别通过内极耳胶与内铝塑壳体密封粘合；再通过进气窗口注入电解液，使空气正极被电解液浸润，得到锂空气电池半成品；（2）在氩气保护气氛下，将步骤（1）所得锂空气电池半成品置于外铝塑预壳体中，所述正极极耳和负极极耳分别延伸至外铝塑预壳体之外，将所述正极极耳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂空气电池，其特征在于，包括电芯、内铝塑壳体和外铝塑壳体，所述电芯封装于所述内铝塑壳体中，所述内铝塑壳体上开设有与所述电芯对应的进气窗口；所述内铝塑壳体封装于所述外铝塑壳体中，所述内铝塑壳体和外铝塑壳体之间充有氧气；所述电芯上设有极耳，所述极耳延伸至外铝塑壳体之外，所述极耳上设有用于与所述内铝塑壳体密封粘合的内极耳胶，所述电芯的极耳上还设有用于与所述外铝塑壳体密封粘合的外极耳胶。

【技术特征摘要】
1.一种锂空气电池，其特征在于，包括电芯、内铝塑壳体和外铝塑壳体，所述电芯封装于所述内铝塑壳体中，所述内铝塑壳体上开设有与所述电芯对应的进气窗口；所述内铝塑壳体封装于所述外铝塑壳体中，所述内铝塑壳体和外铝塑壳体之间充有氧气；所述电芯上设有极耳，所述极耳延伸至外铝塑壳体之外，所述极耳上设有用于与所述内铝塑壳体密封粘合的内极耳胶，所述电芯的极耳上还设有用于与所述外铝塑壳体密封粘合的外极耳胶。2.根据权利要求1所述的锂空气电池，其特征在于，所述氧气纯度为99.99%～99.999%，水含量小于10ppm，压力范围为1atm～2atm。3.根据权利要求1或2所述的锂空气电池，其特征在于，所述电芯包括空气正极、隔膜、金属锂负极和电解液，所述空气正极、隔膜和金属锂负极依次叠置，所述隔膜被电解液所浸润。4.根据权利要求3所述的锂空气电池，其特征在于，所述进气窗口设于内铝塑壳体靠近空气正极并远离金属锂负极的一侧。5.根据权利要求4所述的锂空气电池，其特征在于，所述极耳包括设于空气正极上的正极极耳，以及设于金属锂负极上的负极极耳。6.根据权利要求3所述的锂空气电池，其特征在于，所述电解液包括有机溶剂和溶于所述有机溶剂中的锂盐，所述有机溶剂为多元环状酰胺和碳酸酯组成的混合溶剂。7.根据权利要求6所述的锂空气电池，其特征在于，所述多元环状酰胺包括N-甲基吡咯烷酮、β-内酰胺、γ-丁内酰胺或γ-戊内酰胺；所述碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙烯酯或碳酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珲，韩喻，郑春满，谢凯，洪晓斌，谢威，王丹琴，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43