一種全固態(tài)鋰-空氣電池及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電化學技術領域，具體為一種新型全固態(tài)鋰?空氣電池及其制備方法。該電池包含三維石墨烯正極，新型碘化鋰?3?羥基丙腈復合物中添加碘化鋰：簡寫為LiIHPN?xLiI(0≤x≤10)固體電解質和金屬鋰(Li)或含鋰合金負極。本發(fā)明所提出的新型全固態(tài)鋰?空氣電池，采用LiIHPN?LiI固體電解質，355K時放電容量2100mAh g?1條件下，可以循環(huán)10次以上，是一種新型的全固態(tài)鋰?空氣電池。LiIHPN?xLiI(0≤x≤10)固體電解質，其中的碘化鋰可以被氧化成碘單質與放電產物Li2O2反應，從而降低電池極化，改善鋰?空氣電池的循環(huán)性能。
【專利說明】
一種全固態(tài)鋰-空氣電池及制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于電化學技術領域，具體涉及一種新型全固態(tài)鋰-空氣電池及其制備方法。該電池包含三維石墨烯正極，新型碘化鋰-3-羥基丙腈復合物中添加碘化鋰:簡寫為LilHPN-xLiKO <x< 10)固體電解質和金屬鋰(Li)或含鋰合金負極。
【背景技術】
[0002]長期以來，人們采用的傳統(tǒng)能源利用方式已經給我們的環(huán)境帶來了巨大的污染，同時，資源短缺、溫室效應等問題也日漸突出?？梢?，傳統(tǒng)的能源結構和利用方式已經越來越難以適應人類可持續(xù)發(fā)展的需要。為了能夠高效、合理地使用不可再生能源，又能保持環(huán)境和生態(tài)平衡，人們開發(fā)了能夠將燃料和氧氣(氧化劑)的化學能轉化為電能的燃料電池技術。鋰-空氣等金屬空氣電池能夠發(fā)揮燃料電池的優(yōu)點，以空氣中的氧氣作為正極活性物質，金屬作為負極活性物質，具有能量密度高、性能穩(wěn)定的特點。金屬空氣電池的原材料豐富、性價比高、無污染，因此被稱為是“面向21世紀的綠色能源”。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種能量密度高、性能穩(wěn)定的新型的全固態(tài)鋰-空氣電池及其制備方法。
[0004]本發(fā)明提供的全固態(tài)鋰-空氣電池，其正極材料為自組裝三維石墨烯，負極材料為鋰片，電解質為碘化鋰-3-羥基丙腈復合物(LiIHPN)中添加碘化鋰(LiI)得到的固體電解質，記為1^1冊~11^1，這里1為1^1的摩爾含量，O SxS 10。
[0005]本發(fā)明提供的全固態(tài)鋰-空氣電池的制備方法，具體步驟為:
步驟I，三維石墨烯正極制備:取1.5-2.5ml的氫碘酸，加入到2.0-3.0ml濃度為2.0-3.0mg/ml的氧化石墨烯分散液中，70-100°C下保持0.5_5小時后，得到自組裝三維純石墨烯，利用索氏提取器在乙醇和水中清洗后，冷凍干燥得到三維石墨烯正極
步驟2，LiIHPN-xLiI(0<x<10)固體電解質通過壓力成型，例如熱壓成型或熔融塑型等方式成型，作為新型的全固態(tài)鋰-空氣電池的電解質。
[0006]步驟3，電池組裝:將三維石墨烯正極，LiIHPN-xLiI(0<x< 10)固體電解質，鋰片簡單按壓后，組成新型的全固態(tài)鋰-空氣電池。
[0007]本發(fā)明中，所述的作為正極的自組裝三維石墨烯，包括但并不限于自組裝的純三維石墨烯電極，混合有粘結劑、導電劑等一種或幾種添加劑的三維石墨烯電極。
[0008]本發(fā)明中，所述的作為負極的鋰片，為金屬鋰(Li)或含鋰合金，包括并不限于金屬鋰、鋰鋁合金、鋰硼合金、鋰硅合金等。
[0009]本發(fā)明中，所述的LiIHPN_xLiI(0 <x< 10)固體電解質，包括并不限于LiIHPN-xLi I (O ^ X < 10)固體電解質，混合粘結劑、隔膜、一種或幾種添加劑的Li IHPN-xLi 1(0<χ<10)固體電解質。
[0010]本發(fā)明中，所述碘化鋰-3-羥基丙腈復合物(LiIHPN)，含有Li元素、I元素、C元素、N元素、O元素和H元素，元素比為Li: 1:C:0:N:H=1:1:3:1:1:5，簡寫為LilHPN，該化合物具有鋰離子傳導能力，具備鋰離子電導率，室溫電導率為2.3*10—8 Scm—1。該化合物制備的具體步驟為:把LiI(HPN)2與LiI按摩爾比1:1混合，并加熱至120-160°C，攪拌70-100小時，得到無色透明油狀液體，冷卻后固化，得到Li IHPN固體電解質。
[0011]本發(fā)明中，所述的L i IHPN-XLi I (O < x < 1)固體電解質的制備方法為:把Li IHPN與LiI按不同摩爾比混合，并加熱至110-160°C，攪拌80-110小時，得到無色透明油狀液體，冷卻后固化得到不同比例的LilHPN-xLiKO < X < 10)固體電解質系列。
[0012]本發(fā)明提出的鋰-空氣電池循環(huán)10次以上，并保持2000mAhg—1的容量。經研究表明電解質中的LiI可以減小電池的極化并延長鋰空氣電池循環(huán)壽命，目前為止還沒有關于LiI在全固態(tài)鋰-空氣電池中應用的報道。
【附圖說明】
[0013]圖1為實施例1中LiIHPN-LiI固體電解質的鋰-空氣電池結構示意圖及空氣與氬氣對比的充放電曲線。
[0014]圖2為實施例1中三維石墨稀電極表面生成的放電產物的場發(fā)射掃描電鏡圖。
[0015]圖3為實施例1中三維石墨烯電極表面生成的放電產物的場發(fā)射透射電鏡圖。
[0016]圖4為實施例2中LiIHPN-0.5LiI固體電解質的充放電曲線。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實施例
[0018]例I如圖1所示，本發(fā)明提供的全固態(tài)鋰-空氣電池包含:自組裝三維石墨烯作為正極，鋰片作為負極，LiIHPN-LiI固體電解質作為電解質，泡沫鎳作為集電極。在355K的條件下，鋰-空氣電池在放電容量為2000mAh g—1時，循環(huán)10次以上，放電曲線見附圖1。
[0019]例2本發(fā)明提供的全固態(tài)鋰-空氣電池包含:自組裝三維石墨烯作為正極，鋰片作為負極，LiIHPN-0.5LiI固體電解質作為電解質，泡沫鎳作為集電極。在355K的條件下，鋰_空氣電池在放電容量為500mAh g—1時，循環(huán)5次以上，放電曲線見附圖4。
[0020]因此，這是一種新型的全固態(tài)鋰-空氣電池。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種全固態(tài)鋰-空氣電池，其特征在于，正極材料為自組裝三維石墨烯，負極材料為鋰片，電解質為碘化鋰-3-羥基丙腈復合物中添加碘化鋰的固體電解質，記為LiIHPN-XLiI，這里X為LiI的摩爾含量，O SxS 10。2.根據(jù)權利要求1所述的全固態(tài)鋰-空氣電池，其特征在于，所述的正極還包括粘結劑、導電劑中一種或幾種添加劑。3.根據(jù)權利要求1所述的全固態(tài)鋰-空氣電池，其特征在于，所述的鋰片為金屬鋰或含鋰合金，包括金屬鋰、鋰招合金、鋰硼合金或鋰娃合金。4.根據(jù)權利要求1所述的全固態(tài)鋰-空氣電池，其特征在于，所述的固體電解質還包括混合粘結劑、隔膜、一種或幾種添加劑。5.—種如權利要求1-4之一所述的全固態(tài)鋰-空氣電池的制備方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟I，三維石墨烯正極制備:取1.5-2.5ml的氫碘酸，加入到2.0-3.0ml濃度為2.0-.3.0mg/ml的氧化石墨烯分散液中，70-100°C下保持0.5_5小時后，得到自組裝三維純石墨烯，利用索氏提取器在乙醇和水中清洗后，冷凍干燥得到三維石墨烯正極； 步驟2，碘化鋰-3-羥基丙腈復合物中添加碘化鋰的固體電解質通過壓力成型，采用熱壓或熔融塑型方式成型； 步驟3，電池組裝:將三維石墨烯正極，碘化鋰-3-羥基丙腈復合物中添加碘化鋰的固體電解質，鋰片簡單按壓后，組成新型的全固態(tài)鋰-空氣電池。
【文檔編號】H01M12/08GK105870548SQ201610406324
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】劉方超, 傅正文
【申請人】復旦大學