[发明专利]一种互不相溶“水/聚合物”双相电解质及电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种互不相溶“水/聚合物”双相电解质及电池，具体地说，涉及一种由水溶液电解质和疏水性有机聚合物电解质形成的互不相溶的双相电解质，以及含有所述双相电解质的电池，所述电池可为锂-空气电池和锂-金属电池，其中，所述锂-金属电池可为锂-铜电池和锂-镍电池，属于化学电源技术领域。 

背景技术

锂离子电池与其他电池相比具有许多优点，因此目前成为研究热点。然而，锂离子电池（有机电解质体系的化学电源）所采用正极活性材料的比能量比较低，只有150～220mAhg^-1，而负极活性材料比能量已经非常高，例如，硅基锂合金的比能量可达4400mAhg^-1，所以，锂离子电池的比能量主要受到其正极活性材料比能量的限制。 

锂-空气电池的出现有望突破锂离子电池由于其正极活性材料比能量限制造成的比能量性能缺陷。锂-空气电池是一种燃料电池，其负极活性材料为比能量高的金属锂，金属锂的比能量可达3860mAhg^-1，正极以空气或氧气为活性物质，空气正极的容量不受限制，所以，锂-空气电池的理论比能量可高达11140Wh/kg。除了空气电极之外，水电解质中的金属电极体系的比能量也很高，接近300mAhg^-1，几乎是锂离子电池正极材料比能量的1.5～2倍,所以，将锂与水电解质中高比能量的金属电极体系组成锂-金属电池也是有意义的发展方向。 

由于金属锂是高活泼性金属，只能在有机电解液中工作，而不能在水电解液中工作。但是在有机电解液中，空气电极在放电过程中氧气被还原并与电解液中的锂离子结合成为过氧化锂（Li₂O₂）和氧化锂（Li₂O）沉淀，堵塞空气电极催化剂的微孔，导致催化剂失去催化性能。另外，水电解质中的金属电极体系也无法在有机电解质中工作。所以，为了兼顾金属锂负极和空气电极、水电 解质金属电极体系的工作环境要求，提出了双相电解质锂-空气电池和双相电解质锂-金属电池。目前使用双相电解质的锂-空气电池和锂-金属电池的研究热点之一是电池结构设计、隔膜制备技术、功能电解液配制技术以及电池的封装技术。这些研究的目的在于得到稳定的双相电解质锂-空气电池和锂-金属电池，其中，高电导率、高化学稳定性、同时可以阻隔氧气、阻隔水的隔膜或固态电解质是其中的关键。Yamamoto等人主要针对固态电解质膜开展研究，作者设计的锂-空气电池结构为：在金属锂的负极使用有机PEO（聚氧化乙烯）聚合物电解液，正极的空气电极使用水性电解液，所述双相电解质之间用只能通过锂离子的磷酸钛锂固体电解质隔开，整个电池能保持持续放电（T.Zhang,N.Imanishi,S.Hasegawa,A.Hirano,J.Xie,Y.Takeda,O.Yamamoto,N.Sammes.Li/Polymer Electrolyte/Water Stable Lithium-Conducting Glass Ceramics Composite for Lithium-Air Secondary Batteries with an Aqueous Electrolyte[J].Journal of the Electrochemical Society，2008,155(12):A965-969.）。Kumar等人比较了玻璃陶瓷类Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃（x=0.5）固态电解质膜以及PEO与Li₂O和/或BN（氮化硼）复合的固态电解质膜的性能，研究表明PEO与Li₂O复合的固态电解质膜能降低界面阻抗，提高电导率，有效的保护好负极，所涉及锂-空气电池的放电比能量有望超过1000Whkg^-1（J.Kumar,B.Kumar.Development of membranes and a study of their interfaces for rechargeable lithium-air battery[J].Journal of Power Sources,2009,194(2):1113-1119.）。目前的LISICON（锂离子导电陶瓷）膜，解决了锂-空气电池中锂与氧气直接接触的问题，保证了负极活性材料金属锂的稳定性，也为负极提供了合适的工作环境，这种方法已于2007被韩国Polyplus有限公司申请专利（Ionically conductive composites for protection of active metal anodes,United States Patent 7282302）。Imanishi等人将陶瓷电解质膜（LTAP）组装在锂-空气电池中，结构为Li|聚合物电解质|LTAP|1 M LiCl|Pt，然而这个结构的锂-空气电池的稳定性较好，但内阻较大（T.Zhang,N.Imanishi,S.Hasegawa,A.Hirano,J.Xie,Y.Takeda,O.Yamamoto,N.Sammes.Water-Stable Lithium Anode with the Three-Layer Construction for Aqueous Lithium-Air Secondary Batteries[J].Electrochemical and Solid-State Letters,2009,12(7):A132-135.）。