[发明专利]以含氮碳担载纳米硼锂合金为阳极材料的锂氧电池

说明书

本发明涉及建材技术领域，旨在提供一种以含氮碳担载纳米硼锂合金为阳极材料的锂氧电池。该锂氧电池是以涂覆了阴极材料和阳极材料的碳纸作为阴极和阳极，阴极和阳极均以涂覆侧相向与隔膜共同组成单电池结构；其中，阴极板和阳极板上设置进出口通道与极板内流路相连，进口通道在下，出口通道在上，阴极板和阳极板的电极侧均刻有流路；多孔的阴极涂覆层内部充满阴极液；多孔的阳极涂覆层内部充满阳极液，阴、阳极板由密封圈密封。本发明利用硼锂合金具有极高的脱锂比容量的特性，形成大容量负极材料。石墨烯良好的导电性有利于大电流放电，采用锂离子化的全氟磺酸树脂膜，隔绝有机阳极液和水性阴极液，提高锂氧电池的安全性，可应用于电动汽车。

技术领域

本发明涉及一种锂氧电池阳极材料及锂氧电池的制备方法，更具体地说，本发明涉及将葡萄糖、尿素和偏硼酸锂球磨混合，通过分段煅烧后，得到含氮碳担载纳米硼锂合金作为锂氧电池阳极材料，将葡萄糖、尿素、硝酸钴和NaCl-KCl共晶盐球磨混合，通过分段煅烧后，用水清洗掉盐分，得到石墨烯担载纳米钴作为锂氧电池阴极材料，以及利用本发明阳极材料和阴极得到锂氧电池的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率、不含有毒物质等优点是它广泛应用的重要原因。1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦为阳极，以LiCoO₂为阴极的锂离子电池：LiC₆|LiClO₄-PC+EC|LiCoO₂。同年。Moli和sony两大电池公司宣称将推出以石墨碳为阳极的锂离子电池。1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一种以聚糖醇热解碳(PFA)为阳极的锂离子电池。锂离子电池传统阳极材料有石墨(C₆)，硫化物：TiS₂、NbS₂，氧化物：WO₃、V₂O₅、SnO₂等。以石墨阳极材料为例，充放电过程中阳极反应：

C₆+xLi⁺+xe＝＝Li_xC₆

当对电池进行充电时，电池的阴极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到阳极。而作为阳极的石墨呈层状结构，到达阳极的锂离子就嵌入到石墨层间，形成嵌锂化合物(Li_xC₆)，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当对电池进行放电时，嵌在石墨层中的锂离子脱出，又运动回到阴极。能够回到阴极的锂离子越多，放电容量越高。

传统锂离子电池通常是用有机溶剂配制成电解液。若采用水性电解液，锂离子的还原电位显著低于质子的还原电位，导致充电时氢气优先生成，导致水性电解液中水不断被电解，造成电解液的分解。而且，通常情况下锂阳极在水溶液中会发生剧烈反应，引发电池热失控。因此，目前的锂离子电池只能选择非质子型电解液体系，这也约束了配对的高能阴极材料的选取。

锂氧电池是一种用锂作阳极，氧气作为阴极反应物的电池。当利用空气中的氧作为阴极反应物时，也被称作为锂空电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.14kWh/kg(不包括氧气)。因此，锂氧电池是非常有吸引力的新型化学电源。

作为锂氧电池的阳极材料必须是具备以下要求：(1)锂贮存量高；(2)锂在阳极材料中的嵌入、脱嵌反应快，即锂离子在固相中的扩散系数大，在电极－电解液界面的移动阻抗小；(3)锂离子在电极材料中的存在状态稳定；(4)在电池的充放电循环中，阳极材料体积变化小；(5)电子导电性高；(6)阳极材料在电解液中不溶解。