[发明专利]基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂-空气电池，具体涉及一种基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法，属于高性能化学电源领域。

背景技术

目前，中小型汽车的动力来源主要为柴汽油的燃烧，然而随着石油资源的日渐枯竭和环境问题的日益恶化，人们迫切需要寻找一种绿色能源替代。在目前众多的绿色能源替代品中，锂离子电池以相对较高的能量密度、良好的倍率性能和循环稳定性、无记忆效应等特点，最近几年迅速替代了铅酸、镍镉、镍氢电池成为电动车市场上最受欢迎的高能动力电池。

锂-空气电池是一种以氧气为正极活性材料、以金属锂为负极活性材料的电池，由于氧气不需要储存在电池内部，其理论能量密度高达5.21 kWh/kg(含氧气)或11.14 kWh/kg(不含氧气)，远高于传统锂离子电池的理论能量密度（200-250 Wh/kg），其性能可与汽油(12.22 kWh/kg)相媲美，因此，锂-空气电池也被称为下一代锂电池或终极电池。锂-空气电池放电时，空气中的氧气分子在催化剂作用下转变成氧负离子或过氧负离子，并和阳极传递过来的锂离子结合生成锂氧化物或者锂过氧化物；放电时，生成的锂氧化物或者锂过氧化物重新分解，生成氧气和金属锂，实现放与充的可逆循环；这与常规的铝空气电池、锌空气电池等金属空气电池有很大别，铝空气和锌空气电池主要在碱性溶液中工作，主要做一次电池使用。

锂-空气电池作为新一代高能量密度电源在便携式电子产品和通讯设备等领域具有广阔的应用前景，尤其可满足电动汽车电源的高能量密度的要求。现有技术中，锂-空气电池研究多以现有锂离子电池为基础，使用有机碳酸脂类电解液作为有机电解质溶液，但有机电解液易燃易爆，这导致电解质泄漏和由此引发的电池爆炸、火灾时有发生。要提高锂-空气电池的使用安全性，最直接、最有效的方法就是不再使用易燃易爆的有机电解质溶液，采用不燃不爆的全固态锂离子电解质，既可以实现电池安全装置的简化，又可以大幅降低电池制造成本。

现有技术报道了一种基于磷酸盐类固体电解质的固态锂-空气电池，但是都使用具有NASICON结构的磷酸盐类固体电解质材料，如Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)和Li_1+xAl_yGe_2-x(PO₄)₃(LAGP)，这类固态电解质材料不稳定，容易和锂金属阳极发生反应；因此，在这些已报道的固态锂-空气电池中，在锂金属阳极和固态电解质之间还需放置饱浸有液态有机电解液的隔膜材料，这一方面增加了电池工作时锂离子传输路径，另一方面，有机电解液的使用，仍不可避免地带来了电池的安全性问题，电池也不能称为全固态锂-空气电池。石榴石型或钙钛矿型锂离子固态电解质具有较高的锂离子导电性，室温电导率可达～10^-3S cm^-1。通过掺杂可以改善它们的导电率和烧结性能；但是目前关于石榴石型或钙钛矿型锂离子固态电解质的研究主要集中在材料制备、基本性能改善和锂离子传递机制等方面，关于利用它们制作全固态锂-空气电池器件还没有见报道。此外，现有的固态锂-空气电池都是纽扣式的，锂金属阳极、空气电极和固态电解质之间纯粹是靠挤压实现的物理接触，这种方式组装的电池接触电阻较大，且电池反应时锂离子和氧负离子只在层与层接触面传递，电池极化电阻也较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法，通过对锂金属阳极、空气电极和锂离子固态电解质之间的接触界面经行调控和优化，从而真正的得到一种全固态锂-空气电池，具有充放电容量高、倍率性能好、循环稳定性高、工作温度范围广等优点，适用于各种移动电子设备以及动力电池领域。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于锂离子固体电解质的锂空气电池的制备方法，包括电解质骨架的制备、空气电极的制备、金属电极的制备以及电池引线的制备；