[发明专利]一种锂空气电池隔膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂空气电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池隔膜及制 备方法，该隔膜具有锂快离子通过性能，同时隔离有机电解液和水性电解 液，避免水分接触金属锂发生危险或生成惰性物质(LiOH、Li₂O等)阻止 反应的进行，同时该膜具有良好的机械性能。

背景技术

随着经济社会的不断发展，能源问题和环境问题日益加剧，节能减排 和开发新能源以及高效的能量器件是当今社会的重要课题。近二十年来， 以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展，是因为金属锂具有最低 的密度，最高的电压，最好的电子电导及最高的电化学当量。全球范围内 已积极开展了提高锂电池的能量密度和电极材料稳定性的研究。LiCoO₂和碳材料作为锂离子的正负极材料已成功商业化，LiFePO₄是正极材料的 后起之秀，由于价格，安全性，比能量等方面的影响因素，寻找比能量更 高，更便宜的正极材料一直是锂电池的发展方向，但是锂电池中正极材料 局限了锂电池的储能能力，比如金属锂的电化学容量为3860mAh/g，但大 部分正极材料的电化学容量只有200mAh/g，另外，锂离子在金属正极材 料的扩散系数较低，也限制了锂电池的能量输出。

在另一方面，金属氧(空气)电池提供了很好的电化学性能，因为在 这些电化学电池中，作为正极的氧气(空气)并不贮存在电池中。在空气 中的氧能够通过催化剂变成氧负离子或过氧负离子然后再通过电化学反 应生成金属氧化物或过氧化物，有别于常规的铝空气电池、锌空气电池的 水系电解液电池体系。锂空气电池是一种全新的金属空气电池，使用有机 系列电解液或全固态电解质。锂空气电池的工作原理是基于如下两个反 应：

4Li+O₂→2Li₂O                  (1)

2Li+O₂→Li₂O₂            (2)

按反应(1)计算，电池的开路电压为2.91伏，理论能量密度为 5200Wh/kg。在实际应用中，氧气由外界环境提供，因此排除氧气后的能 量密度达到11140Wh/kg，高出现有的电池体系1-2个数量级，但是，如果 以空气作为正极，金属锂能够与空气中存在的水分迅速反应，导致金属锂 被腐蚀。这样，使用中，电池的安全性能是一大隐患，然而巨大的能量密 度决定了锂空气电池将在航空和移动能源领域中有广泛的应用。如果能成 功解决安全和腐蚀问题及相关材料设计和制备问题，锂空气电池将会是能 源史上一次重大的革命。

金属氧空气电池的研究刚刚起步，有关报道很少，K.M.Abraham首次 报导锂空气电池的文章，介绍了以凝胶聚合物为电解质的锂空气电池。J. Read在锂空气电池放电机理电极材料以及电解液组成做了大量的工作。由 于过氧化物和氧化锂均不溶解在有机电解液中，因此，放电产物只能是在 和的空气电极上沉淀，在阳极过量的情况下，放电的终止是由于具有放电 产物堵塞空气电极孔道所致。P.G.Bruce在锂空气电池充电机理研究上做 出重大贡献，表明当放电产物为过氧化锂时，电池具有可充放性。

锂空气电池的专利比较少，K.M.Abraham曾报道了基于PAN-PVDF 体系得锂氧电池体系(专利号US5561004)，其他的专利只包括Eltron公 司等在离子液体(US4804448)和正极材料(US71477967)方面的一些工 作。余爱水等报道了高比能可充式全固态锂空气电池(CN101267057A)。

以上锂空气电池的缺点是生成的氧化锂容易在氧(空气)正极中析出， 从而堵塞介孔碳孔道而使反应终止。最近，日本产业技术综合研究所发布 的锂空气电池的结构是，只在金属锂的负极使用有机电解液，正极的空气 级使用水性电解液(请见图1)，两种电解液之间使用固体电解质隔开可 防止两电解液发生混合，而且能促进电池发生反应。这样，能够防止正极 的固体反应生成物-氧化锂(Li₂O)析出。