[发明专利]一种锂空气电池用凝胶聚合物电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，具体涉及一种锂空气电池用凝胶聚合物电解质及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的大量消耗，全球环境污染和能源危机的状况日益严重，急需开发清洁、高效的新型储能电池技术。化学电源直接将化学能转化为电能，通过消耗某种化学物质来稳定地输出电能，是最有应用前景的储能系统之一。

锂空气电池是一类新型高性能绿色储能电池。它是以金属锂为阳极，以空气中的氧气为阴极活性物质。由于其具有超高理论能量密度(可达11140Wh/kg)、材料成本低廉、环境友好等优势，被认为是下一代极具应用前景的储能电池技术，现已成为国际研究热点。

电解质是锂空气电池的关键材料之一，直接影响锂空气电池的性能。在电池充放电过程中，会有中间产物超氧根离子(O₂^-)的出现，而传统锂离子电池所用的碳酸酯类电解质结构不稳定，易受到超氧根离子(O₂^-)的亲核进攻，产生不可逆副产物，从而大幅度降低电池的稳定性和性能。为解决此问题，最近一些新型液体电解液体系被相继报道，包括二甲基亚砜(DMSO)[H.-G.Jung,J.Hassoun,J.-B.Park,Y.-K.Sun,B.Scrosati,Nat.Chem.,2012,4,579]和四乙二醇二甲醚(TEGDME)[Z.Peng,S.A.Freunberger,Y.Chen,P.G.Bruce,Science,2012,337,563]。

虽然，上述研究成果使得电解液稳定性有了很大提高，但电解液在电池循环使用时仍会不可避免地发生一定程度的分解：如在Li₂O₂氧化分解过程(Oxygen Evolution Reaction，OER)中，DMSO会被分解产生LiOH，TEGDME会被分解并生成羧酸盐，进而导致电池性能下降。由此可见，电解液的稳定性问题仍没有很好解决。而这类有机液体电解液溶剂多为易挥发、易燃烧的有机物，在锂空气电池中不仅会因溶剂挥发，而导致电池循环寿命较低(尤其在高温情况下)，同时，还使电池存在安全隐患和环境污染等问题。

目前，凝胶聚合物电解质被认为是最有潜力满足锂空气电池实用化要求的电解质体系。凝胶聚合物电解质为固态，具有很好的机械强度、热稳定性和化学稳定性等特性，是有效解决目前液体电解质所面临问题的途径之一。如今，研究工作者已先后开发出多种锂空气电池用凝胶聚合物电解质，包括聚丙烯腈(PAN)基凝胶聚合物电解质、聚氧乙烯(PEO)基凝胶聚合物电解质、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VdF-HFP))基凝胶聚合物电解质和聚碳酸酯基凝胶聚合物电解质。虽然，上述这些凝胶聚合物电解质可在锂空气电池中使用，并体现出较好的阻水阻气性能，但在电池的充放电过程中，上述这些聚合物基材均会被超氧根离子(O^2-)诱导发生降解反应，进而导致电池循环稳定性较差。因此，急需开发出新型、稳定的凝胶聚合物电解质以应用于锂空气电池体系。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种化学及电化学稳定性优异，能有效抵抗锂空气电池充放电过程中超氧根离子进攻的锂空气电池用凝胶聚合物电解质及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂空气电池用凝胶聚合物电解质，该电解质由含有锂离子的全氟聚合物电解质基材及电解液组成，其中，所述的全氟聚合物电解质基材占电解质的质量百分含量为30-80％。

所述的全氟聚合物电解质基材为全氟磺酸聚合物。

所述的全氟聚合物电解质基材的厚度为20-180μm。

所述的全氟聚合物电解质基材采用熔融挤出工艺或溶剂流延工艺制备而成。

所述的电解液包括有机溶剂以及溶解在有机溶剂中的锂盐，并且所述的锂盐在有机溶剂中的浓度为0.1-3mol/L。

所述的有机溶剂为二甲基亚砜、二苯基亚砜、氯化亚砜、二甲基砜、甲基乙基砜、甲基丙基砜、二乙基砜、乙基丙基砜、乙基异丙基砜、乙基异丁基砜、二丙基砜或环丁砜中的一种或多种；