[发明专利]一种水体系锂空气电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，更具体地，本发明涉及一种水体系锂空气电池。

背景技术

随着经济的不断发展，以石油为代表的化石燃料日益枯竭，化学电源在人类社会生活中扮演着越来越重要的角色，特别是对高能量密度的化学电池需求日益强烈。一方面，电动汽车对动力电池的能量密度要求很高，目前包括锂离子电池、镍氢电池等在内的二次电池均不能完全满足电动汽车的续驶里程要求。另一方面，移动消费类电子产品，如笔记本电脑、3G手机和数码相机等对其所用的化学电源要求越来越高，现有的化学电池体系储能密度不足，难以满足发展需要。

锂空气电池的出现有望突破化学电源的技术瓶颈，满足未来电动汽车和电子产品的长时间用电需求。作为一种全新的金属空气电池，其理论能量密度为5200Wh/kg，在实际应用中，氧气由外界环境提供，因此，去掉氧气的质量后，锂空气电池的能量密度达到11140Wh/kg，高出现有的电池体系1-2个数量级。巨大的能量密度决定了其在高能量密度领域的应用前景，目前作为超越现阶段被广泛应用的锂离子电池的高容量二次电池而备受瞩目。

锂空气电池的研究刚刚起步，有关报道很少。K.M.Abraham于1996年首次报导了锂空气电池，介绍了以凝胶聚合物为电解质的锂空气电池。随后J.Read在锂空气电池放电机理、电极材料、电解液组成、氧分压、氧溶解能力等方面做了大量的工作。P.GBruce在锂空气电池充电机理研究上做出了重大贡献，该研究表明当放电产物为过氧化锂时，电池具有可充放性。2009年日本产业技术综合研究所报道了他们研究的新型结构锂空气电池，在负极使用有机电解液，在正极使用水性电解液，在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的隔膜，在空气中以0.1A/g的放电率放电时，可连续放电20天，放电容量约为50Ah/g。

目前锂空气电池的技术难度较大，其应用仍面临着巨大的挑战。其中在电解液方面主要有水体系和非水体系两种体系。非水体系电解液的锂空气电池结构较单一，其主要问题是放电产物Li₂O₂的析出导致空气回路的堵塞，放电无法继续进行，直接关系到电池的放电容量。同时Li₂O₂的析出导致充电时过电压较大，这不仅关系到能量的转换效率，还会引起载体炭的氧化。而水体系的锂空气电池放电产物为LiOH，具有溶于水的特性，不会在空气电极处堆积，有利于放电的顺利进行，但是金属锂与水会发生剧烈的反应，从而影响了水体系锂空气电池的使用寿命。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种水体系锂空气电池，该水体系锂空气电池至少具有下列优点之一：安全性高、化学稳定性好、机械性能和电化学性能好。

根据本发明实施例的水体系锂空气电池，包括：空气正极层，所述空气正极层包括空气扩散层和空气电极层，所述空气扩散层位于空气正极层外侧；复合负极层，所述复合负极层包括保护层和锂电极层，且所述保护层与所述空气电极层相对设置；和水系电解质层，所述水系电解质层为夹在所述空气正极层的空气电极层和所述复合负极层的疏水保护层之间的水溶液。

根据本发明实施例的水体系锂空气电池，由于所述锂电极层表面设有一层保护层，保护层能阻止溶液中的水和CO₂进入到锂电极，只有锂离子能顺利通过以确保其导电性，该保护膜具有良好的化学稳定性和机械性能，使金属锂得到了有效保护。

另外，根据本发明上述实施例的一种水体系锂空气电池，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述保护层包括疏水层与固体电解质层，其中所述固体电解质层位于所述锂电极层与所述疏水层之间。锂电极根据本发明的一个实施例，所述固体电解质层是由通式Li_aPO_bN_cT_d所表示的掺杂过渡金属元素的氮化磷酸锂构成，其中，T表示选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt及Au的至少1种过渡金属元素，2.6≤a≤3.0，3.0≤b≤4.0，0.1≤c≤0.6，0.01≤d≤0.50。