一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池的制作方法
【專利摘要】一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括殼體，所述殼體由上、下敞口的不銹鋼殼體、橫置于不銹鋼殼體的上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體圍成，在殼體內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極、隔膜A、非水系電解液、隔膜B、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極和雙通道陰極流場板，所述雙通道陰極流場板內(nèi)設(shè)有氣體流場通道和液體流場通道，在雙通道陰極流場板上分別設(shè)有與氣體流場通道相通的氣體進(jìn)氣閥門和氣體排氣閥門以及與液體流場通道相通的液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門，所述氣體進(jìn)氣閥門連接有氣瓶，所述液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門連接有蠕動泵，所述蠕動泵連接有液罐。優(yōu)點(diǎn)是：避免放電產(chǎn)物氧化鋰或過氧化鋰堵塞電極孔道導(dǎo)致放電終止，提高電池循環(huán)效率，增加電池循環(huán)次數(shù)。
【專利說明】一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池，特別涉及一種氣相放電、液相充電雙通道陰極鋰空氣電池。

【背景技術(shù)】
[0002]空氣電池是一種用鋰金屬作負(fù)極，以氧氣作為正極反應(yīng)物的新型化學(xué)電源，并以其相對較高的理論比容量和比能量特性而成為目前備受關(guān)注的能量轉(zhuǎn)換體系。其工作原理是，放電過程:陽極的金屬鋰釋放電子后成為鋰陽離子，鋰離子穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2),并留在陰極；充電過程:通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，鋰離子穿過有機(jī)電解液到達(dá)負(fù)極表面，在負(fù)極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰，正極側(cè)反應(yīng)生成氧氣，產(chǎn)生的電子供應(yīng)給導(dǎo)線。
[0003]由于氧化鋰不易溶解在有機(jī)電解液中，因此放電產(chǎn)物只能在有氧負(fù)離子的氧氣電極上沉積，放電產(chǎn)物堵塞氧氣電極孔道而導(dǎo)致放電終止，而且反應(yīng)生成的氧化鋰不具有電化學(xué)可逆性，從而導(dǎo)致鋰氧氣電池的循環(huán)性能下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池，避免放電產(chǎn)物氧化鋰或過氧化鋰堵塞電極孔道導(dǎo)致放電終止，提高電池循環(huán)效率，增加電池循環(huán)次數(shù)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括殼體，所述殼體由上、下敞口的不銹鋼殼體、橫置于不銹鋼殼體的上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體圍成，其特殊之處在于，在殼體內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極、隔膜A、非水系電解液、隔膜B、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極和雙通道陰極流場板，所述雙通道陰極流場板內(nèi)設(shè)有氣體流場通道和液體流場通道，在雙通道陰極流場板上分別設(shè)有與氣體流場通道相通的氣體進(jìn)氣閥門和氣體排氣閥門以及與液體流場通道相通的液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門，所述氣體進(jìn)氣閥門連接有氣瓶，所述液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門連接有蠕動泵，所述蠕動泵連接有液罐。
[0006]所述雙通道陰極流場板的材質(zhì)為石墨板。
[0007]所述氣體流場通道和液體流場通道均為蛇形管狀。
[0008]氣體流場通道和液體流場通道平行設(shè)置。
[0009]所述氣體流場通道的長度為50mm?60mm，寬度為5mm，槽深為1mm。
[0010]所述液體流場通道的長度為55mm?58mm，寬度為3mm，槽深為1mm。
[0011]所述非水系電解液的溶質(zhì)為亞硫酸鋰或三氟乙酸鋰，溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、乙腈、戊二腈中至少一種。
[0012]所述多孔陰極氣體擴(kuò)散電極，擴(kuò)散層中聚四氟乙烯質(zhì)量含量為8 %?12%，整平層厚度為 0.5 mg/cm2?1.0 mg/cm 2 ο
[0013]所述氣瓶中的氣體為空氣或氧氣，流量為10 mL/min?500 mL/min，壓強(qiáng)為0.1MPa ?0.5 MPa0
[0014]所述液罐中液體為亞硫酸或三氟乙酸，流速為0.1 mL/h?10 mL/h，壓強(qiáng)為0.1MPa ?0.3 MPa0
[0015]本發(fā)明的有益效果:
結(jié)構(gòu)合理，設(shè)置雙通道陰極流場板，在放電過程中沉積在多孔陰極氣體擴(kuò)散電極的放電產(chǎn)物氧化鋰或者過氧化鋰，可以與液體流場通道通入的亞硫酸或者三氟乙酸物質(zhì)反應(yīng)生成易溶于電解液的亞硫酸鋰或者三氟乙酸鋰，鋰離子穿過鋰陽離子穿過非水系電解液到達(dá)鋰陽極表面，通過外電路供應(yīng)電子，在鋰陽極表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰，從而解決了放電產(chǎn)物氧化鋰或過氧化鋰不易溶解在有機(jī)電解液中，堵塞電極孔道導(dǎo)致放電終止的問題，提高電池循環(huán)效率，增加電池循環(huán)次數(shù)。經(jīng)檢測，該結(jié)構(gòu)鋰空氣電池首次放電比容量多2300mAh/g，循環(huán)次數(shù)50次，比能量衰減16.8%?17%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的俯視圖；
圖3是圖1中雙通道陰極流場板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]1-殼體，101-不銹鋼殼體、102-絕緣殼體，2-鋰陽極，3_隔膜A，4_非水系電解液，5-多孔陰極氣體擴(kuò)散電極，6-雙通道陰極流場板，601-氣體流場通道，602-液體流場通道，60IA-氣體進(jìn)氣閥門，60IB-氣體排氣閥門，602A-液體進(jìn)液閥門，602B-液體排液閥門，7-氣瓶，8-液罐，9-蠕動泵，10-隔膜B。

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
如圖1所示，該氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括由上、下敞口的不銹鋼殼體101、橫置于不銹鋼殼101上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體102圍成的殼體1，在殼體I內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極2、隔膜A3、非水系電解液4、隔膜B10、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5和雙通道陰極流場板6，所述雙通道陰極流場板6的材質(zhì)為石墨板；所述非水系電解液4的溶質(zhì)為亞硫酸鋰，溶劑為碳酸乙烯酯；所述多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5的擴(kuò)散層中PTFE (聚四氟乙烯)質(zhì)量含量為8 %，整平層厚度為0.5 mg/cm2;所述雙通道陰極流場板6內(nèi)設(shè)有平行布置的氣體流場通道601和液體流場通道602，所述氣體流場通道601和液體流場通道602均為蛇形管狀，所述氣體流場通道601的長度為50mm，寬度為5mm，槽深為I mm ;所述液體流場通道602的長度為55mm，寬度為3 mm,槽深為I mm ;在所述雙通道陰極流場板6上分別設(shè)有與氣體流場通道601相通的氣體進(jìn)氣閥門601A和氣體排氣閥門601B以及與液體流場通道602相通的液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B，所述氣體進(jìn)氣閥門601A通過管路連接有氣瓶7，所述液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B通過管路連接一個蠕動泵9，所述蠕動泵9通過管路連接有液罐8，所述氣瓶7中的氣體為空氣，流量為10 mL/min，壓強(qiáng)為0.1MPa ;所述液罐8中液體為亞硫酸，流速為0.1 mL/h，壓強(qiáng)為0.1 MPa。
[0019]經(jīng)檢測，該結(jié)構(gòu)鋰空氣電池首次放電比容量為2300mAh/g，循環(huán)次數(shù)50次，比能量衰減17%。
[0020]實(shí)施例2
如圖1所示，該氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括由上、下敞口的不銹鋼殼體101、橫置于不銹鋼殼101上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體102圍成的殼體1，在殼體I內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極2、隔膜A3、非水系電解液4、隔膜B10、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5和雙通道陰極流場板6，所述雙通道陰極流場板6的材質(zhì)為石墨板；所述非水系電解液4的溶質(zhì)為三氟乙酸鋰，溶劑為乙腈；所述多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5的擴(kuò)散層中PTFE (聚四氟乙烯)質(zhì)量含量為12%，整平層厚度為1.0 mg/cm2;所述雙通道陰極流場板6內(nèi)設(shè)有平行布置的氣體流場通道601和液體流場通道602，所述氣體流場通道601和液體流場通道602均為蛇形管狀，所述氣體流場通道601的長度為60mm，寬度為5mm，槽深為I mm ;所述液體流場通道602的長度為58mm，寬度為3 mm,槽深為I mm ;在所述雙通道陰極流場板6上分別設(shè)有與氣體流場通道601相通的氣體進(jìn)氣閥門601A和氣體排氣閥門601B以及與液體流場通道602相通的液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B，所述氣體進(jìn)氣閥門601A通過管路連接有氣瓶7，所述液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B通過管路連接一個蠕動泵9，所述蠕動泵9通過管路連接有液罐8，所述氣瓶7中的氣體為氧氣，流速為10 mL/h，壓強(qiáng)為0.3 MPa。
[0021]經(jīng)檢測，該結(jié)構(gòu)鋰空氣電池首次放電比容量為2312mAh/g，循環(huán)次數(shù)50次，比能量衰減16.8%ο
[0022]實(shí)施例3
如圖1所示，該氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括由上、下敞口的不銹鋼殼體101、橫置于不銹鋼殼101上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體102圍成的殼體1，在殼體I內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極2、隔膜A3、非水系電解液4、隔膜B10、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5和雙通道陰極流場板6，所述雙通道陰極流場板6的材質(zhì)為石墨板；所述非水系電解液4的溶質(zhì)為亞硫酸鋰，溶劑為碳酸二甲酯；所述多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5的擴(kuò)散層中PTFE (聚四氟乙烯)質(zhì)量含量為10%，整平層厚度為0.8mg/cm2;所述雙通道陰極流場板6內(nèi)設(shè)有平行布置的氣體流場通道601和液體流場通道602，所述氣體流場通道601和液體流場通道602均為蛇形管狀，所述氣體流場通道601的長度為55mm，寬度為5mm，槽深為I mm ;所述液體流場通道602的長度為56mm，寬度為3 mm，槽深為I mm ;在所述雙通道陰極流場板6上分別設(shè)有與氣體流場通道601相通的氣體進(jìn)氣閥門601A和氣體排氣閥門601B以及與液體流場通道602相通的液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B，所述氣體進(jìn)氣閥門601A通過管路連接有氣瓶7，所述液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B通過管路連接一個蠕動泵9，所述蠕動泵9通過管路連接有液罐8，所述氣瓶7中的氣體為氧氣，流量為255 mL/min，壓強(qiáng)為0.3MPa ；所述液罐8中液體為亞硫酸，流速為5mL/h，壓強(qiáng)為0.2 MPa。
[0023]經(jīng)檢測，該結(jié)構(gòu)鋰空氣電池首次放電比容量為2310mAh/g，循環(huán)次數(shù)50次，比能量衰減16.9%ο
[0024]該結(jié)構(gòu)鋰空氣電池工作原理為:
當(dāng)電池放電時:關(guān)閉液體流場通道602上的液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B，打開氣體流場通道601上的氣體進(jìn)氣閥門601A和氣體排氣閥門601B，通入空氣或者氧氣。此時，鋰陽極2釋放電子后成為鋰陽離子，鋰陽離子穿過非水系電解液4，在多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5與氣體流場通道601滲透的氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2),并沉積多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5。
[0025]當(dāng)電池充電時:關(guān)閉氣體流場通道601上的氣體進(jìn)氣閥門60IA和氣體排氣閥門601B，打開液體流場通道602上的液體進(jìn)液閥門602A和液體排液閥門602B，通入亞硫酸或者三氟乙酸。此時，沉積在多孔陰極氣體擴(kuò)散電極5的放電產(chǎn)物氧化鋰或者過氧化鋰與通入的亞硫酸或者三氟乙酸物質(zhì)反應(yīng)生成易溶于電解液的亞硫酸鋰或者三氟乙酸鋰，鋰離子穿過鋰陽離子穿過非水系電解液4到達(dá)鋰陽極2表面，通過外電路供應(yīng)電子，在鋰陽極2表面發(fā)生反應(yīng)生成金屬鋰。
【權(quán)利要求】
1.一種氣液雙通道陰極鋰空氣電池，包括殼體，所述殼體由上、下敞口的不銹鋼殼體、橫置于不銹鋼殼體的上、下口內(nèi)的兩個絕緣殼體圍成，其特征在于，在殼體內(nèi)由左向右依次豎置有鋰陽極、隔膜A、非水系電解液、隔膜B、多孔陰極氣體擴(kuò)散電極和雙通道陰極流場板，所述雙通道陰極流場板內(nèi)設(shè)有氣體流場通道和液體流場通道，在雙通道陰極流場板上分別設(shè)有與氣體流場通道相通的氣體進(jìn)氣閥門和氣體排氣閥門以及與液體流場通道相通的液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門，所述氣體進(jìn)氣閥門連接有氣瓶，所述液體進(jìn)液閥門和液體排液閥門連接有蠕動泵，所述蠕動泵連接有液罐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述雙通道陰極流場板的材質(zhì)為石墨板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述氣體流場通道和液體流場通道均為蛇形管狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，氣體流場通道和液體流場通道平行設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述氣體流場通道的長度為50mm?60mm，寬度為5mm，槽深為1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述液體流場通道的長度為55mm?58mm，寬度為3mm，槽深為1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述非水系電解液的溶質(zhì)為亞硫酸鋰或三氟乙酸鋰，溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、乙腈、戊二腈中至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述多孔陰極氣體擴(kuò)散電極，擴(kuò)散層中聚四氟乙烯質(zhì)量含量為8 %?12%，整平層厚度為0.5 mg/cm2?1.0mg/cm2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述氣瓶中的氣體為空氣或氧氣，流量為10 mL/min?500 mL/min，壓強(qiáng)為0.1 MPa?0.5 MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液雙通道陰極鋰空氣電池，其特征在于，所述液罐中液體為亞硫酸或三氟乙酸，流速為0.1 mL/h?10 mL/h，壓強(qiáng)為0.1 MPa?0.3 MPa。
【文檔編號】H01M12/06GK104505558SQ201410702680
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月29日
【發(fā)明者】蔡克迪, 邱平達(dá), 王祥, 張亮, 張光菊, 魏穎, 何鐵石 申請人:渤海大學(xué)