[发明专利]光辅助宽温固态锂空气电池及其制备方法

说明书

本发明适用于金属空气电池技术领域，提供了光辅助宽温固态锂空气电池，包括：锂负极、致密固态电解质层和一个多孔固态电解质层搭载光催化剂的多功能光正极，所述致密固态电解质层的厚度可调小至100μm，致密固态电解质层与多孔固态电解质层构成一体化框架可担载各种光正极催化剂。本发明：光催化正极可以吸收利用全光谱光能，有效的将光能转化为电能与热能等多种形式能量；一体化框架保障保证Li⁺和热量在整个锂空气电池中快速转移；负载光催化剂的多孔一体化框架可以为正极催化反应暴露出更多的反应位点，保证锂离子与电子的有效传输路径，并通过空间结构增强光吸收和光利用。

技术领域

本发明属于金属空气电池技术领域，尤其涉及光辅助宽温固态锂空气电池及其制备方法。

背景技术

为实现碳中和、碳达峰的宏伟目标，高能量密度的清洁二次电池成为研究的重点方向之一。在众多新兴体系中，锂空气电池由于其超高理论能量密度引起研究者们广泛关注。锂空气电池以空气中源源不断的氧气作为正极活性物质，金属锂作为负极，两者用浸润电解液或固态电解质隔开。基于等式锂空气电池理论能量密度可达3860mAh/g。然而，由于放电产物过氧化锂的稳定性与绝缘性，导致正极反应动力学缓慢，从而使锂空气电池表现出巨大的充放电压差和低的能量密度。锂空气电池研究集中在正极催化剂的研究，已经开发出碳催化剂，贵金属催化剂，过度金属催化剂等不同类型催化剂，来改善锂空气电池的往返效率、比容量、倍率性能及长循环寿命。尽管取得一些进展，但是锂空气电池仍然存在巨大的过电位和限制在80％的往返效率。因此寻找一种新的策略来解决上述问题是必要的。

自然中的太阳能是清洁的可再生能源，开发太阳能对可持续发展是至关重要的。然而由于间歇性及地域差异性，太阳能不能持续供电。人们将研究方向转向探求将光能高效的储存在储能设备中，以满足复杂的实际应用环境。常见的太阳能使用场景是用太阳能电池为二次电池充电。这样复杂的设计不仅会降低能量转化效率，更不利于实际生活应用。近年来，在金属空气电池领域，通过一个半导体材料直接作为双功能光正极，可以将太阳能电池与二次电池集成在一起，可以将光能转化为电能，在放电过程中输出并在充电过程中储存在电池里。光辅助金属空气电池已被广泛证明，可以有效提高电池往返效率。然而，在开放体系下，锂空气电池中有机电解液挥发、泄露、易燃性及不稳定等因素影响电池难以稳定安全运行。此外，在极端环境温度条件下的运行对锂空气电池提出更为严苛的挑战。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供光辅助宽温固态锂空气电池及其制备方法，旨在克服现有技术的缺点，实现锂空气电池在光辅助宽温下稳定高效的运行。光辅助锂空气电池被认为是克服锂空气电池反应动力学迟缓的一种有效方法。研究集中在单一半导体材料或者简单两个材料复合，对太阳能的吸收范围窄，对太阳能利用形式单一，没有开发太阳能的全部潜力。同时，现有的光辅助锂空气电池普遍采用的是有机液体电解质。然而，在开放体系中，光辅助正极的优异的催化活性不仅会加速正极反应动力学，同时会加速有机液体电解质的降解和挥发，导致电池循环寿命受限的问题。

本发明实施例是这样实现的，光辅助宽温固态锂空气电池，包括：锂负极、致密固态电解质层和一个多孔固态电解质层搭载光催化剂的多功能光正极，所述致密固态电解质层的厚度可调小至100μm，致密固态电解质层与多孔固态电解质层构成一体化框架可担载各种光正极催化剂。

进一步的技术方案，所述光正极催化剂是一种或者多种金属或一种或多种有机/无机半导体复合的零维、一维、二维或三维催化剂，所述金属纳米粒子包括金、银、铜和铂等纳米粒子，所述半导体包括二氧化钛、硫化铟、氮化碳和钙钛矿等材料。

本发明实施例的另一目的在于，光辅助宽温固态锂空气电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：全光谱吸收利用光正极催化剂的制备；

步骤2：一体化双层多孔正极复合电解质框架的制备；

步骤3：光辅助宽温固态锂-气体电池的制备。