一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池制造技术

本发明专利技术提供一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池，属于电化学储能技术及凝胶材料领域。该电解质是通过在搅拌或超声条件下使无机纳米颗粒、溶剂和金属盐形成的凝胶态电解质。本发明专利技术所述的凝胶电解质具备较好的安全性、防水和CO2等负极污染物的能力，能有效减缓金属负极的严重腐蚀及不可控枝晶生长问题，此外还具备改善金属空气电池倍率性能的能力。将上述无聚合物添加的凝胶电解质应用在金属空气电池中，将大大改善金属空气电池的循环寿命和安全性。和安全性。和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池


[0001]本专利技术属于电化学储能技术及凝胶材料领域，具体涉及一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池。

技术介绍

[0002]随着人类社会的不断发展，锂离子电池较低的能量密度已经无法满足人们对于电动汽车等高耗能设备的长期使用。可充电金属空气电池以其极高的能量密度吸引了研究者的目光。但是，金属空气电池的发展也面临着诸多挑战，例如金属负极在循环过程中的不可控枝晶生长以及腐蚀问题，电解质本身较差的电化学及化学稳定性以及正极材料较差的倍率性能以及循环性能等。以上一系列问题严重影响了金属空气电池的电化学性能以及实际应用。鉴于此，寻找一种方法来同时解决目前金属空气电池中存在的问题是非常重要的且极具挑战的。
[0003]相比于单纯进行金属负极保护与制备新型正极材料，改善金属空气电池的电解质通常可以在改善电解质电化学以及化学稳定性的同时对金属负极和正极有正面作用。通过调整电解液的溶剂化结构等可以有效均匀负极的离子沉积，并调整正极反应过程来提升正极循环性以及倍率性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池，所述凝胶电解质可以有效阻隔氧气和水等对金属负极的腐蚀，同时有效提高金属空气电池的循环性能和倍率性能。
[0005]本专利技术提供了一种无聚合物添加的凝胶电解质，该电解质是通过在搅拌或超声条件下使无机纳米颗粒、溶剂及金属盐分散成凝胶态电解质。
[0006]优选的是，所述无机纳米颗粒包括二氧化硅、氧化铝、碳材料、氧化锆、氧化锌、氧化钛或氮化硼中的一种或多种。
[0007]优选的是，所述溶剂包括水、乙醇、丙酮、乙二醇、四乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、乙腈、1,3二氧戊环、N,N二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N甲基吡咯烷酮、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯或碳酸甲乙酯中的一种或多种。
[0008]优选的是，所述金属盐包括三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、硝酸锂、二氟草酸硼酸锂，双氟磺酰亚胺锂，三氟甲基磺酸钠、双三氟甲基磺酰亚胺钠、四氟硼酸钠、六氟磷酸钠、高氯酸钠、硝酸钠、二氟草酸硼酸钠，双氟磺酰亚胺钠，三氟甲基磺酸钾、双三氟甲基磺酰亚胺钾、四氟硼酸钾、六氟磷酸钾、高氯酸钾、硝酸钾、二氟草酸硼酸钾，双氟磺酰亚胺钾，三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌、硝酸锌、硫酸锌，氯化锌，三氟甲基磺酸镁、双三氟甲基磺酰亚胺镁、硝酸镁、硫酸镁，氯化镁，三氟甲基磺酸铝、双三氟甲基磺酰亚胺铝、硝酸铝、硫酸铝或氯化铝中的一种或多种。
[0009]优选的是，所述的无机纳米颗粒浓度为10％～90％，更优选为10～50％。
[0010]优选的是，所述的金属盐浓度为0.5M～饱和，更优选为0.5～2M。
[0011]本专利技术还提供一种金属空气电池，由负极、正极、隔膜、电解质及电池中所充气体组成，其中电解质为上述无聚合物添加的凝胶电解质。
[0012]优选的是，所述的金属空气电池负极包括纯锂、纯钠、纯钾、纯镁、纯锌、纯铝及其合金，以及使用铜、银、铝、碳材料中的一种或多种作为导电基地的复合材料。
[0013]优选的是，所述的金属空气电池中，气体种类包括，氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气、空气中的一种或多种；所述的隔膜包括玻璃纤维膜、PP隔膜、PE隔膜中的一种或多种。
[0014]优选的是，所述的金属空气电池中，所述的正极包括正极材料以及粘结剂，其中正极材料包括SuperP碳、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、Ru/CNTs、RuO2/CNTs、Pt/C、Pd/C，MnO2,Co3O4中的一种或多种、粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、海藻酸钠、羧甲基纤维素、Nafion溶液中的一种或多种。
[0015]本专利技术的有益效果
[0016]本专利技术提供一种无聚合物添加的凝胶电解质及金属空气电池，该电解质是通过在搅拌或超声条件下使无机纳米颗粒、溶剂及金属盐分散成凝胶态电解质。该凝胶电解质具有较好的安全性、阻隔水氧等负极污染物的能力、减缓金属负极的腐蚀及不可控枝晶生长，大大改善金属空气电池的循环寿命和倍率性能，提高了金属氧气电池的电化学性能以及稳定性。相比传统的聚合物电解质，此无聚合物电解质的电化学和化学稳定性更好，能够耐受金属空气中，超氧根等强进攻基团的攻击，显著增强电解质的稳定性。除此之外，这种电解质具有较好的电化学、化学及热稳定性，并具有一定的阻燃性，提高电池整体的安全性。制备方法简单，条件温和，可以应用于大规模生产，并且成本低，可以广泛应用于大规模工业化。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例1中的凝胶电解质的照片；
[0018]图2为本专利技术实施例1(右)与对比例1(左)中的金属锂(空气中放置0分钟)；
[0019]图3为本专利技术实施例1(右)与对比例1(左)中的金属锂(空气中放置20分钟)；
[0020]图4为对比例1中金属锂沉积扫描电镜图；
[0021]图5为本专利技术实施例1中金属锂沉积扫描电镜图；
[0022]图6为对比例1中锂氧气电池在32℃，电流密度为5Ag
‑1限容量1000mAhg
‑1下的充放电曲线；
[0023]图7为本专利技术实施例1中锂氧气电池在32℃，电流密度为5Ag
‑1限容量1000mAhg
‑1下的充放电曲线；
[0024]图8为对比例1中锂氧气电池在60℃，电流密度为10Ag
‑1限容量1000mAhg
‑1下的充放电曲线；
[0025]图9为对比例1中锂氧气电池在60℃，电流密度为10Ag
‑1限容量1000mAhg
‑1下的充放电曲线；
[0026]图10为对比例1中锂氧气电池中金属锂负极在循环后的扫描电镜图；
[0027]图11为本专利技术实施例1中锂氧气电池中金属锂负极在循环后的扫描电镜图。
具体实施方式
[0028]为了更清楚详尽地对本专利内容进行阐释，我们提供了以下几种具有代表性的实施方案以及对比方案。值得注意的是，以下展示的案例仅属于本专利涵盖内容的一小部分，案例之外的符合本专利精神的其他案例均在本案例的保护范围内。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提供了一种凝胶电解质的制备方法以及在金属空气电池中的应用，具体步骤如下：
[0031]提供正极材料，电极材料为Ru/CNTs，粘结剂为聚偏氟乙烯。
[0032]以金属锂片为负极；
[0033]以玻璃纤维膜为隔膜
[0034]以氧气为气体；
[0035]凝胶电解质的制备方法如下，将1M三氟甲基磺酸锂，四乙二醇二甲醚以及20％二氧化硅纳米颗粒混合搅拌，并通过强力超声使二氧化硅颗粒分散均匀，制备后呈现半透明凝胶状.
[0036]将金属锂片、玻璃纤维隔膜、上述凝胶电解质、Ru/CNTs正极材料组装成电池，并向电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无聚合物添加的凝胶电解质，其特征在于，该电解质是通过在搅拌或超声条件下使无机纳米颗粒、溶剂及金属盐分散成凝胶态电解质。2.根据权利要求1所述的一种无聚合物添加的凝胶电解质，其特征在于，所述无机纳米颗粒包括二氧化硅、氧化铝、碳材料、氧化锆、氧化锌、氧化钛或氮化硼中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种无聚合物添加的凝胶电解质，其特征在于，所述溶剂包括水、乙醇、丙酮、乙二醇、四乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、乙腈、1,3二氧戊环、N,N二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N甲基吡咯烷酮、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯或碳酸甲乙酯中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种无聚合物添加的凝胶电解质，其特征在于，所述金属盐包括三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、硝酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂，三氟甲基磺酸钠、双三氟甲基磺酰亚胺钠、四氟硼酸钠、六氟磷酸钠、高氯酸钠、硝酸钠、二氟草酸硼酸钠、双氟磺酰亚胺钠，三氟甲基磺酸钾、双三氟甲基磺酰亚胺钾、四氟硼酸钾、六氟磷酸钾、高氯酸钾、硝酸钾、二氟草酸硼酸钾，双氟磺酰亚胺钾、三氟甲基磺酸锌、双三氟甲基磺酰亚胺锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、三氟甲基磺酸镁、双三氟甲基磺酰亚胺镁、硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、三氟甲基磺酸铝、双三氟甲基磺酰亚胺铝、硝酸铝、硫酸铝或氯化铝中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新波，刘建伟，于越，黄岗，王金，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：