[发明专利]一种锂-空气电池或锂-氧气电池用正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂-空气电池或锂-氧气电池关键材料领域，具体涉及一种锂-空气电池或锂-氧气电池用正极材料。

背景技术

锂-空气电池是一种以金属锂为负极，空气电极为正极的可充式二次电池，作为负极材料的金属锂具有最低的理论电压，其理论比容量高达3,862mAh/g，而作为正极活性物质的氧气可直接从空气中获得，因此，锂-空气电池具有极高的比容量及比能量。以锂为标准，其理论比能量密度可达11,140Wh/Kg，以全电池为标准，其实际比能量密度约为锂离子电池的10倍，在民用及军用领域极具应用前景。未来商业化的纯电动车要求动力电池的比能量在500Wh/kg以上，科学家把锂空气电池作为未来电动汽车的动力电池之一。

图1为锂-空气电池放电过程中正极及所发生电化学反应的示意图。如图所示，由负极侧迁移而至的锂离子在碳材料表面与扩散而至的氧气复合生成产物Li₂O₂或者Li₂O。固体Li₂O₂或者Li₂O不溶于电解质溶液，不能脱离碳材料表面，从而在此沉积直至堵塞电极孔道，导致放电反应终止。目前，锂-空气电池正极反应物传质情况普遍采用固-液两相反应界面模型解释，即固体-碳材料和液体-电解质溶液之间形成的界面，其中碳材料负责传导电子，电解液负责传导Li⁺，外界氧气经过在电解质溶液中的溶解扩散，到达反应界面，在此反应三要素完成放电反应Li⁺+O₂-e→Li₂O₂或者Li⁺+O₂-e→Li₂O。

为了获得较大的固液两相反应界面及较通畅的Li⁺传导通道，要求电解质溶液对电极的浸润程度较高，即构成电极的碳材料具有较好的亲液性。但另一方面，由于氧气在电解质溶液中的溶解扩散能力较差，如果电极完全被电解液浸润，则氧气在电极内的传质阻力较大，尤其是对于电极内侧(即远离空气侧)，因此，要求电极内存在较通畅的气体传输通道，使氧气在整个电极内充分扩散，缩短其向碳材料表面(即固液两相反应界面)扩散的路程，减小其传质阻力，这就要求构成电极的碳材料具有较好的憎液性。然而，一种碳材料不可能同时具备上述两种特性，即良好的电解液浸润性和较好的气体传质不可兼得。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种新型锂-空气或者锂-氧气电池用正极材料，目的是改善电解液对电极的浸润及氧气在电极内的传质状况。

作为电极主体材料的碳材料，其对电解液或者具有较好的浸润性，或者具有较强的憎液性，或者介于二者之间。为了保证电解液对电极形成良好的浸润以获得较大的固液两相反应界面及较通畅的Li⁺传导通道，同时保证电极内存在较通畅的气体传输通道，针对电极主体碳材料的不同物性，本发明分别向电极内混入亲液性较强的碳材料，或者憎液性较强的碳材料，或者两种碳材料皆混入。混入的碳材料，既可以作为电极反应进行的场所，同时根据其物性的不同，可分别作为电解液及气体的传输通道。通过上述方法，增大了反应界面面积，强化了电极反应物的传输，从而有利于提高电池的充放电容量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明所述的正极材料，包含两种或三种碳材料；在电池运行条件下：

碳材料A为对电解质溶液浸润性较差的、与电解质溶液的接触角在105-170度之间；

碳材料B为对电解质溶液的浸润性适中的、与电解质溶液的接触角在70-110度之间；

碳材料C为对电解质溶液具有较好的浸润性的、与电解质溶液的接触角在10-70度之间；

当包含两种碳材料时，正极材料为A+B，其中A∶B质量比为0.05～10∶1；或C+B，其中C∶B质量比为0.05～10∶1；或A+C，其中A∶C质量比为0.05～20∶1；

当包含三种碳材料时，正极材料为A+B+C，其中B的质量分数为30-90％，A∶C质量比为0.05～20∶1。