一种锂氧气电池电解液及其制备方法和锂氧气电池技术

本发明专利技术属于电化学催化技术领域，公开了一种锂氧气电池电解液，该电解液含有可溶性锂盐溶质

【技术实现步骤摘要】
一种锂氧气电池电解液及其制备方法和锂氧气电池


[0001]本专利技术属于电化学催化
，尤其涉及一种以乙酰丙酮铱为催化剂的锂氧气电池电解液及其制备方法和锂氧气电池
。

技术介绍

[0002]锂氧气电池由于直接使用氧气为活性物质，因而具有超高的比能量，不仅如此，它还具有成本低廉，对环境友好等优点，被认为是最具有发展潜力的二次能源体系
。
然而，实现实用的锂氧气电池面临着一些挑战
。
主要问题之一是氧还原反应（
ORR
）和氧析出反应（
OER
）的动力学缓慢
。
同时，不溶且绝缘的过氧化锂在多孔正极上的沉积会导致传输受限，最终降低电池的效率
。
此外，严重的寄生反应会对电池的循环稳定性产生负面影响
。
因此，当前的锂氧气电池表现出低往返效率
、
高充电过电位和差的循环稳定性，严重阻碍了它们的商业可行性
。
[0003]开发新型催化剂对于提高锂氧气电池的性能至关重要，目前的催化剂可分为固体催化剂和可溶性催化剂两类
。
固体催化剂通常需要大的比表面积和丰富的孔结构，以实现产物沉积并促进扩散气体和离子
。
因此，尽管表现出优异的电催化性能，但复杂的制备过程往往限制了其大规模应用
。
此外，固体催化剂的活性位点仅限于固体产物与过氧化锂接触的界面，这阻碍了催化活性的充分发挥，导致催化活性和利用率较低
。
相比之下，可溶性液体催化剂均匀分布在电解液中，可与反应物充分接触
。
因此，可溶性催化剂对过氧化锂的形成
/
分解表现出更高的活性和选择性，从而降低放电
/
充电过电位并提高锂氧气电池的循环性能
。
将可溶性催化剂应用在锂氧气电池中，可以稳定电池体系，降低充电电压，提高能量效率，具有很高的应用潜力
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对目前锂氧气电池的循环稳定性差
、
充电过电位高
、
副反应严重等技术问题，提供一种锂氧气电池电解液，通过添加乙酰丙酮铱，使锂氧气电池的充放电反应动力学加快，放电容量得以提高，充电平台显著降低，副反应明显抑制
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种锂氧气电池电解液，该电解液含有可溶性锂盐溶质
、
无质子溶剂和添加剂乙酰丙酮铱，该电解液中可溶性锂盐浓度为
0.1~1mol/L、
乙酰丙酮铱的浓度为
0.0001~0.05mol/L。
[0006]上述锂氧气电池电解液中可溶性锂盐溶质选自双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
双氟磺酰亚胺锂
、
三氟甲基磺酸锂
、
三氟乙酸锂
、
硝酸锂和高氯酸锂中的至少一种
。
[0007]上述锂氧气电池电解液中无质子溶剂选自乙二醇二甲醚
、
四乙二醇二甲醚
、
乙腈
、
二甲基亚砜和1‑
丁基
‑1甲基
‑
吡咯双（三氟甲基磺酰）亚胺中的至少一种
。
[0008]本专利技术提供一种锂氧气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：1）将乙酰丙酮铱在
60~80℃
下真空干燥
8~12 h
，干燥完成后转移进手套箱；
2
）将乙酰丙酮铱与可溶性锂盐溶质
、
无质子溶剂混合，在手套箱内充分搅拌
24~48h
，得到含乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液；3）将活化过的4Å
分子筛加入含乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液，静置一周后备用
。
[0009]本专利技术还提供一种锂氧气电池，包括：锂负极
、
碳正极
、
隔膜
、
上述锂氧气电池电解液
、
集流体和封装外壳
。
[0010]上述锂氧气电池中碳正极可以采用纯净碳纸或者涂敷科琴黑
、
碳纳米管
、
石墨烯和多孔碳球的碳纸；隔膜可以采用聚四氟乙烯
、
玻璃纤维
D
或玻璃纤维
F
；封装外壳为世伟洛克（
Swagelok
）柱状电池壳或者
2032
扣式电池壳
。
[0011]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术将乙酰丙酮铱作电解液添加剂应用于锂氧气电池中，可通过与超氧物种相互作用促进氧气在溶液中还原，促使在放电过程中形成大尺寸环状过氧化锂，同时，通过与超氧物种相互作用同时充当电子“载体”加速氧析出反应动力学，有效分解过氧化锂，具有优异的双功能催化活性
。
此外，由超氧物种诱导的副反应被明显抑制，起到稳定碳电极的作用
。
此外，乙酰丙酮铱的存在使锂氧气电池容量显著提高，并有效降低充电电压，抑制高电压下单线态氧的形成；同时，乙酰丙酮铱在电池体系中稳定，无副反应产生，具有高效方便的优势
。
[0012]本专利技术采用含有乙酰丙酮铱氧化还原介质制作的锂氧气电池，在
200 mA g
−1的电流密度下实现了较低的充电电压（
3.92 V
）和较高的放电容量（约
17446 mAh g
−1），以及更长的循环寿命（循环
70
周），并且有效减少了寄生反应
。
附图说明
[0013]图1为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池在氩气气氛下的循环伏安曲线
。
[0014]图2为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池在氧气气氛下的循环伏安曲线
。
[0015]图3为以不添加乙酰丙酮铱和实施例4添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池在氧气气氛下的循环伏安曲线
。
[0016]图4为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池的充放电曲线
。
[0017]图5为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池相应的终端放电电位和循环周期
。
[0018]图6为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池放电后正极的
SEM
图
。
[0019]图7为以不添加乙酰丙酮铱和实施例1添加乙酰丙酮铱的锂氧气电池电解液制备的锂氧气电池在
9,10
‑
二甲基蒽存在条件下的充电曲线及对应的
9,10
‑
二甲基蒽浓度变化曲线
。
将...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种锂氧气电池电解液，其特征在于，该电解液含有可溶性锂盐溶质
、
无质子溶剂和添加剂乙酰丙酮铱，该电解液中可溶性锂盐浓度为
0.1~1mol/L、
乙酰丙酮铱的浓度为
0.0001~0.05mol/L。2.
根据权利要求1所述的一种锂氧气电池电解液，其特征在于，所述可溶性锂盐溶质选自双三氟甲基磺酰亚胺锂
、
双氟磺酰亚胺锂
、
三氟甲基磺酸锂
、
三氟乙酸锂
、
硝酸锂和高氯酸锂中的至少一种
。3.
根据权利要求1所述的一种锂氧气电池电解液，其特征在于，所述无质子溶剂选自乙二醇二甲醚
、
四乙二醇二甲醚
、
乙腈
、
二甲基亚砜和1‑
丁基
‑1甲基
‑
吡咯...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦雅颖，邢硕超，周震，张正才，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：