[发明专利]氧气吸脱附材料及其制备方法和全封闭式锂空气电池

说明书

氧气吸脱附材料及其制备方法和全封闭式锂空气电池，涉及锂空气电池技术领域。本发明是为了解决锂空气电池阴极中氧气的存放空间会给电池带来体积大、无柔性等不利影响的问题。本发明所述的一种可逆的氧气吸脱附材料并将其应用于全封闭式锂空气电池中。全封闭式锂空气电池的储氧层为拥有孔隙、通道结构的氧气吸脱附材料，拥有对氧气的可逆吸脱附能力。当电池放电时，氧气便从储氧层中释放，经由隔离层进入阴极发生反应；当电池充电时，反应所生成的氧气经由隔离层便会再度被储氧层所吸收。

技术领域

本发明属于锂空气电池技术领域。

背景技术

全球能源枯竭及环境污染的问题已日益严重，因此对多种清洁、廉价的新能源体系的需求尤为迫切。当前锂离子电池技术已广泛应用在各种行业中，但锂离子电池较低的理论比能量已无法满足越来越高的需求。

锂空气电池作为新能源体系中一种，有望成为锂离子电池的替代品。锂空气电池是一种典型的金属空气电池，以金属锂作为负极反应物质，空气中的氧气作为正极反应物质，水、有机电解液或固体电解质等作为电解液，在电池内部构成一条完整的离子传输通道。在不计算正极反应物质氧气的质量时，锂空气电池拥有极高的理论能量密度11140Wh/kg，远高于其他金属电池的理论能量密度，与石油相近。即使在计算正极反应物质的质量时，锂空气电池的能量密度也高达5200Wh/kg。远高于目前的其它可充电电池体系。

锂空气电池目前仍存在较多并未克服的问题限制其大规模使用，主要分为如下四点：

(1)阴极缓慢的OER、ORR反应动力学：

碳材料是锂空气电池现阶段使用最为广泛的阴极材料，但是碳材料本身的缓慢OER、ORR反应会降低电池的性能。其次放电产物在阴极的沉积同样是限制其能量释放的主要因素之一，因此合理的阴极材料及结构设计同样是阴极研究的一个主要方向。

(2)电解液的稳定性及安全性：

因为水系电解液会与锂金属发生剧烈反应这一主要问题，所以大量的研究集中于有机体系电解液，但有机体系电解液存在易挥发、稳定性差及安全性差等缺点影响电池的实际应用，且放电产物与有机电解液的不溶性极易导致阴极孔隙的堵塞。目前大量研究人员将目光聚焦于固态电解质的研发，虽可以克服有机体系电解液的诸多问题，但同样引来了电导率差、界面阻抗差等缺点。因此寻找合适稳定的电解液体系是研究的主要目的。

(3)锂金属负极的腐蚀及锂枝晶：

在锂负极一侧，通过电解液渗透来的氧气或者其他气体对锂金属的腐蚀是锂空气电池无法长期循环的主要问题之一，同时，锂枝晶的生长易穿破隔膜造成内部短路从而引起的安全危险也是锂负极需要面临的问题。目前大量研究聚焦于锂枝晶的生长机理及如何抑制并彻底解决锂枝晶的生长所带来的问题。同样致密的电解质膜或许会成为保护锂金属的另一措施。

(4)空气中气体组分的影响：

锂氧气电池的最终目的是转换为锂空气电池应用于实际中，但空气中的N₂、CO₂、H₂O及其他气体会对电池内部产生不利影响，因此如何从空气中仅仅捕捉O₂并阻隔其他气体进入电池且保持电池内部有足够的氧气压力以供放电所需是研究的主要目的。

综上所述，锂空气电池在其应用时受到了诸多的限制。尤其是锂空气电池阴极反应物O₂的捕捉与存放严重影响了电池的供放电需求。为了保证电池仅捕捉空气中的O₂，多数采用封闭式结构将O₂封存在电池内部，但是锂空气电池阴极中O₂的存放空间会给电池带来体积大、无柔性等不利影响。

发明内容

本发明是为了解决锂空气电池阴极中O₂的存放空间会给电池带来体积大、无柔性等不利影响的问题，现提供氧气吸脱附材料及其制备方法和全封闭式锂空气电池。