基于柔性衬底的电极组件、锂氧薄膜电池的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于柔性衬底的电极组件、锂氧薄膜电池的制备方法，电极组件包括柔性衬底、正极薄膜层、负极薄膜层和保护层，正极薄膜层和负极薄膜层位于柔性衬底的同一表面，且正极薄膜层和负极薄膜层之间具有间距，保护层位于负极薄膜层的上表面。该电极组件可进行折叠等柔性处理，且制备方法简单快速，采用该电极组件制成的锂氧薄膜电池可实现集成化设计，便于制备大容量、高体积比能量的锂氧电池，具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于柔性衬底的电极组件、锂氧薄膜电池及制备方法
本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种基于柔性衬底的电极组件、锂氧薄膜电池及制备方法。
技术介绍
随着社会发展，人们对可移动化学电源的性能提出了更高的要求。目前广泛应用的锂离子电池因其储能机理和理论能量密度的局限，其越来越无法满足人们对电池的高能量密度、大功率密度的需求。不同于锂离子电池，锂氧电池的正极为开放式的气体扩散电极，作为正极活性物质的氧气直接来源于空气而不需要储存于电池内部，极大减轻了电极的重量，从而具有极高的理论能量密度。锂氧电池虽还未大规模投入应用，但完全可能成为未来电池的主流趋势。现有的锂氧电池主要参考扣式锂离子电池的结构，由上到下依次包括开孔的正极电池壳、正极片、浸有电解液的隔膜、负极片(锂片)、垫圈、弹簧片、负极壳，正极片的制备方法主要有两种，一是将正极催化剂、粘结剂、导电剂、溶剂混合后涂抹于刚性且能扩散气体的集流体(如碳纸、泡沫镍)，二是将正极催化剂原位制备于集流体，集流体同时作为正极材料的载体，不可或缺。现有的锂氧电池因其结构限制，正极均需使用可扩散气体的集流体，严重影响电池的体积比能量和质量比能量，与锂离子电池的集流体(铝箔、铜箔等)不同，现有的满足锂氧电池需要的集流体几乎都不是柔性的，无法对电池进行集成化设计，难以制备出满足人们需要的大容量、高体积比能量的锂氧电池。由于锂氧电池的正极需保持与外界的氧气连通，其结构不能完全参照封闭式的锂离子电池结构，亟待一种便于集成化设计的新型结构的锂氧电池。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于柔性衬底的电极组件、锂氧薄膜电池及制备方法，该电极组件可进行折叠等柔性处理，且制备方法简单快速，采用该电极组件制成的锂氧薄膜电池可实现集成化设计，便于制备大容量、高体积比能量的锂氧电池，具有较高的实用价值。第一方面，本专利技术提供了一种基于柔性衬底的电极组件，包括柔性衬底、正极薄膜层、负极薄膜层和保护层，所述正极薄膜层和所述负极薄膜层位于所述柔性衬底的同一表面，且所述正极薄膜层和所述负极薄膜层之间具有间距，所述保护层位于所述负极薄膜层的上表面。优选的，所述正极薄膜层的材料为具有催化氧还原反应能力的下述物质中的至少一种：金属、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物和金属碳化物。优选的，所述金属包括铂、金、钯、钌中的一种或多种；所述过渡金属氧化物包括钴氧化物、锰氧化物、铁氧化物、镍氧化物中的一种或多种。优选的，所述负极薄膜层的材料为金属锂或含金属锂的合金；所述保护层的材料为金属铝。优选的，所述正极薄膜层的厚度为50～200nm，进一步优选为100nm；所述负极薄膜层的厚度为50～200nm，进一步优选为100nm；所述保护层的厚度为100～250nm，进一步优选为150nm。优选的，所述柔性衬底的材质为聚酰亚胺塑料或超薄玻璃。第二方面，本专利技术提供了一种锂氧薄膜电池，包括上述电极组件，还包括填充于所述正极薄膜层和所述负极薄膜层之间的电解液，所述电解液为含可溶性锂盐的有机电解液、离子液体或可传导锂离子的固态电解液。第三方面，本专利技术提供了上述电极组件的制备方法，包括如下步骤：1)用第一铝箔遮挡柔性衬底，使拟制备正极薄膜层的柔性衬底区域裸露；2)采用沉积法在步骤1)裸露的柔性衬底区域上制备一层正极薄膜；3)去除所述第一铝箔，用第二铝箔遮挡制备有所述正极薄膜层的柔性衬底，使拟制备负极薄膜层的柔性衬底区域裸露；4)采用沉积法在步骤3)裸露的柔性衬底区域上制备一层负极薄膜；5)采用沉积法在所述负极薄膜层的上表面制备一层保护层。上述电极组件的制备方法还可以是包括如下步骤：1)用第一铝箔遮挡柔性衬底，使拟制备负极薄膜层的柔性衬底区域裸露；2)采用沉积法在步骤1)裸露的柔性衬底区域上制备一层负极薄膜；3)采用沉积法在所述负极薄膜层的上表面制备一层保护层；4)去除所述第一铝箔，用第二铝箔遮挡制备有所述保护层的柔性衬底，使拟制备正极薄膜层的衬底区域裸露；5)采用沉积法在步骤4)裸露的柔性衬底区域上制备一层正极薄膜。优选的，所述沉积法为化学气相沉积法或物理气相沉积法，所述物理气相沉积法包括溅射镀膜法、离子镀法、蒸发镀膜法，进一步优选为磁控溅射镀膜法和热蒸发镀膜法。优选的，所述负极薄膜为锂薄膜，制备所述负极薄膜的方法具体为：采用热蒸发镀膜法，在真空中用电流加热装有金属锂的钨舟，使所述柔性衬底上形成锂薄膜，所述电流大小为110～150A，进一步优选为120A。优选的，所述正极薄膜为金薄膜，制备所述正极薄膜的方法具体为：采用磁控溅射镀膜法，控制腔室内氩气气压为5×10-3Torr，设置射频电源功率100W电离氩气，每溅射2min冷却2min，总溅射时间为20min，使所述柔性衬底上形成一层约100nm厚度的金薄膜。本专利技术提供的电极组件采用柔性衬底，易进行折叠等柔性处理，将其应用于锂氧薄膜电池时，可在正极薄膜和负极薄膜之间的间距填充电解液，将其放入干燥的氧气环境中，从正极薄膜和负极薄膜引出导线，如采用铜片分别夹住正负极来引出导线，即得到结构简单的锂氧薄膜电池，该电池可实现集成化设计，便于制备大容量、高体积比能量的锂氧电池，具有较高的实用价值。此外，本专利技术还具备如下优点：1、本专利技术提供的电极组件采用沉积镀膜法制备，得到的正、负极为微纳薄膜结构，一是电极材料的比表面积大，材料利用率高，二是缩短充放电过程中的离子、气体等的传输路径，正极材料的催化活性较高，由其对于采用贵金属作为正极材料的电池来说，可大幅降低成本；2、本专利技术提供的锂氧薄膜电池的结构非常简单，不需要繁琐的电池组装步骤，大大缩减时间成本，同时构筑了清晰、高质量的界面结构，可方便的对充放电测试过程中的正、负极薄膜或电解液进行如扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、拉曼光谱分析等原位表征，对研究锂氧电池的界面反应机理、研究电极材料或电解液等在充放电过程中的变化非常有益，同时由于该电池为柔性电池，可对电池的物理结构进行简单便捷的调整，更易用于不同的原位表征平台，表征结果可用于指导电池材料的筛选和改进，推动锂氧电池的研究和应用进展，具有重要的科学价值和应用价值；3、本专利技术提供的锂氧薄膜电池的尺寸可调控至毫米级，电池材料利用率高，可有效降低研究成本。通过调节电极组件的衬底的尺寸可方便的调控锂氧薄膜电池的尺寸，由于不受电池壳尺寸、电池组装操作难度等因素的限制，尺寸的调控范围较大，衬底的面积甚至可小于1cm2，对于电池研究阶段，特别是筛选稳定有效的电极材料和电解液时，小尺寸的电池可大幅提高电池材料的利用率，降低研究成本，同时小尺寸符合现有大多原位表征平台对样品的尺寸要求；4、本专利技术提供的锂氧薄膜电池的特殊薄膜式结构，易实现电池便携式应用，可为可穿戴设备、便携式电子产品等供电，电池的应用领域更为广阔。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1为本专利技术实施例提供的锂氧薄膜电池的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的锂氧薄膜电池的充放电性能测试曲线；附图标记：1-柔性衬底，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于柔性衬底的电极组件，其特征在于，包括柔性衬底、正极薄膜层、负极薄膜层和保护层，所述正极薄膜层和所述负极薄膜层位于所述柔性衬底的同一表面，且所述正极薄膜层和所述负极薄膜层之间具有间距，所述保护层位于所述负极薄膜层的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性衬底的电极组件，其特征在于，包括柔性衬底、正极薄膜层、负极薄膜层和保护层，所述正极薄膜层和所述负极薄膜层位于所述柔性衬底的同一表面，且所述正极薄膜层和所述负极薄膜层之间具有间距，所述保护层位于所述负极薄膜层的上表面。2.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述正极薄膜层的材料为具有催化氧还原反应能力的下述物质中的至少一种：金属、过渡金属氧化物、过渡金属氮化物和金属碳化物。3.根据权利要求2所述的电极组件，其特征在于，所述金属包括铂、金、钯、钌中的一种或多种；所述过渡金属氧化物包括钴氧化物、锰氧化物、铁氧化物、镍氧化物中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述负极薄膜层的材料为金属锂或含金属锂的合金；所述保护层的材料为金属铝；所述柔性衬底的材质为聚酰亚胺塑料或超薄玻璃。5.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述正极薄膜层的厚度为50～200nm；所述负极薄膜层的厚度为50～200nm；所述保护层的厚度为100～250nm。6.一种锂氧薄膜电池，其特征在于，包括：如权利要求1～5任意一项所述的电极组件；填充于所述正极薄膜层和所述负极薄膜层之间的电解液，所述电解液为含可溶性锂盐的有机电解液、离子液体或可传导锂离子的固态电解液。7.一种如权利要求1～5任意一项所述的电极组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕阳阳，田王昊，鹿大川，李军，王华兵，童圣富，吴明娒，李家德，李晓辉，罗翠萍，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44