[发明专利]双层复合结构陶瓷、该陶瓷的制备方法、自吸附式锂空气电池及该电池的制备方法

说明书

双层复合结构陶瓷、该陶瓷的制备方法、自吸附式锂空气电池及该电池的制备方法，涉及锂空气电池技术领域。本发明是为了解决传统水系锂空电池中水不断消耗，但不便及时添加的问题。本发明采用干压、旋涂、烧结的方式成功实现双层复合结构电解质的制备，并使用浸渍、真空干燥的方法在多孔电极内制备水蒸气吸附层，利用水蒸气吸附层达到吸水、保水的目的，解决水系锂空气电池的水添加问题。本发明适用于自吸附式锂空气电池的制备领域。

技术领域

本发明属于锂空气电池技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，世界范围内对便携式移动储能设备的需求越来越大，对储能电池的容量要求也越来越高。以新能源汽车为例，目前锂电池技术仍无法满足电动汽车的普及要求。相关数据显示，电动车想要实现商业化，电池能量密度至少需要达到250Wh/kg，但目前电动汽车锂电池能量密度普遍不足100Wh/kg。大容量移动电源的开发已迫在眉睫。

最近，锂离子电池的升级产品“锂空气电池”吸引了学术界和工业界的广泛关注。如果能最终研发成功并商业化，将对电动汽车行业乃至整个电能存储领域产生革命性的影响。锂空气电池的反应物包括锂金属和氧气。在实际应用中，氧气由外界环境提供，因此锂空气电池在排除氧气后的能量密度达到惊人的11140Wh/kg，接近汽油的12300Wh/kg，高出现有电池体系1-2个数量级。

然而，锂金属的化学和电化学活性极高与自然界中大部分元素会快速甚至剧烈反应。因此，保护锂金属阳极成为锂空气电池发展首要解决的问题。现在实验室中最为保险的方法就是采用固体电解质将锂金属电极与外界完全隔离，只允许锂离子通过固体电解质的晶格穿梭。这种设计的安全性最高。但是固体电解质材料存在锂离子电导率十分有限的问题，一个有效的解决方法是将固体电解质设计为双层复合结构，降低电解质层的厚度，提高致密度。

就固态锂空气电池而言，根据4电子或2电子氧化还原正极反应，还可以分为两类。一类是水系锂空气电池，采用水系电解液，在空气环境下工作，电化学放电产物为LiOH；另一类是非水系锂空气电池，采用非水系电解液，电化学放电产物为Li₂O₂。水系锂空气电池的优势在于产物LiOH生成更加容易，并且LiOH堆积很疏松，容易形成大容量，并具备更低的充电过电位，同时CO₂在水系电解液中的溶解度极低，不容易形成惰性产物Li₂CO₃。

例如：公开号为CN 105552380 A的名称为《双层复合结构玻璃陶瓷、锂空气电池及其制备方法》的专利申请。得到双层复合结构玻璃陶瓷可应用于锂空气电池，使锂空气电池的放电容量和倍率放电能力提升了1～2个数量级，接近甚至超过了常规液态锂空气电池的性能，将玻璃陶瓷电解质层(双层复合结构玻璃陶瓷)的致密度提升至96％以上，厚度降至30μm以下，阴极活性面积增加至330cm²，是传统固体电解质与电极接触界面面积的300多倍，电池内阻降至14Ω/cm²以下，放电容量增至18000mAh/g以上。

然而，水系锂空气电池，水需要额外提供，并且水作为反应物是不断消耗的，需要不断补充，既降低了总的比能量，又非常不便捷，这正是制约水系锂空气电池商业化的瓶颈所在。

发明内容

本发明是为了解决传统水系锂空电池中水不断消耗，但不便及时添加的问题，现提供双层复合结构陶瓷、该陶瓷的制备方法、自吸附式锂空气电池及该电池的制备方法。

双层复合结构陶瓷，包括由下至上依次层叠的多孔层和致密层，该双层复合结构陶瓷的材质为：

Li_1+xM_xTi_2-x(PO₄)₃，0≤x≤0.5，M为Al、Ga、In或Sc；