[发明专利]一种有机电解质体系锂空气电池直接活化方法

说明书

本发明公开了一种有机电解质体系锂空气电池直接活化方法。（1）金属锂片为阳极，溶有0.5～2摩尔/升锂盐的有机溶剂为电解质溶液，硼硅酸玻璃纤维或尼龙66为隔膜，阴极为碳材料负载的1cm²碳纸。（2）充放电区间2 V～4.5 V，充放电电流密度1000 mA/g～5000 mA/g，充放电容量1000 mAh/g～5000 mAh/g。（3）充放电区间为2 V～4.5 V。（4）充放电电流密度为100 mA/g～800 mA/g。（5）活化的容量为25 mAh/g～800 mAh/g。（6）活化循环次数为5～40。本发明能达到提高锂空气电池循环次数的目的，能显著提高锂空气电池循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种有机电解质体系锂空气电池直接活化方法。

背景技术

随着电动汽车市场的扩张，发展电能存储系统势在必行，虽然锂离子电池已经广泛用于社会各领域，但其比能量密度低，远不能满足新能源汽车的动力源。锂空气电池比能量远高于锂离子电池，甚至可与汽油相媲美，近几年来成为研究热门。

锂空气电池由金属锂阳极、电解质、隔膜和空气阴极构成。锂空气电池的阳极和阴极分别发生Li＝Li⁺+e^-和O₂+2Li⁺+2e^-＝Li₂O₂反应(Adv.Energy Mater.2016,1600751)。目前的研究表明，锂空气电池面临以下问题：金属锂在多次的沉积和溶出过程中形成锂枝晶(ACS Appl.Mater.Interfaces2016,8,8561-8567)，且锂空气电池需设计成敞开体系，环境中的水分或者CO₂容易进入电池，与空气阴极的活性物质O₂造成金属锂腐蚀(Adv.Funct.Mater.2016,26,1747–1756)。放电产物Li₂O₂电导率低、难分解，充放电过程动力学缓慢，且不分解的产物导致空气阴极逐渐被堵塞、充放电过电位升高(Adv.EnergyMater.2017,1602938)。此外，锂空气电池的电解质抗放电中间体(O₂^-、LiO₂)氧化性能差，在循环过程中易分解。上述现象最终导致锂空气电池循环稳定性差(Electrochem.Commun.,2017,80,16–19)。

为解决上述问题，研究者通过在金属锂表面涂覆保护层或保护膜(ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,21307-21313)、制备防水防气体透过膜(Adv.Mater.2015,27,5241–5247)、构筑多孔电极(Energy Environ.Sci.,2014,7,2213-2219)、设计强化Li₂O₂形成和分解的催化剂(Adv.Mater.,2016,28,9620-9628)、研究液相催化剂(Adv.Mater.2017,1704162)、设计稳定性好的电解质等方式(Adv.Mater.2017,1704378)，改善锂空气电池循环稳定性。但这将使锂空气电池体系复杂化、成本高、甚至会带来一些副反应，如催化剂或者液相催化剂加速电解质分解等。如何以尽可能简单的体系，低成本运行锂空气电池，同时使之具有较好的循环稳定性势必成为今后发展趋势。

锂空气电池在测试前，需要进行活化才可以出现完整的充放电曲线和稳定的充放电平台。该活化过程可以直接通过充放电循环进行，然而通过大量实验发现，活化过程可能持续几十到上百个循环，需要几天甚至几个礼拜的时间，且由于活化过程发生正常的电池反应，活化时间太长对于金属锂阳极和空气阴极产生的影响，以及对锂空气电池的循环稳定性的影响尚未可知。因而有必要研究锂空气电池活化过程，通过改变活化过程的充放电制度，达到缩短活化时间和延长锂空气电池寿命的目的。

在本发明中，通过采用低充放电容量和低电流密度活化过程，可使以金属锂，隔膜、有机电解质、碳材料组装的锂空气电池体系的循环稳定性大幅度提高。

发明内容