[发明专利]一种高温稳定的纤维状锂空气电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种高温稳定的纤维状锂空气电池及制备方法。

背景技术

近年来，新型可穿戴的能源器件大量涌现，其中锂空气电池由于其巨大的能量密度得到了广泛的关注[1,2]，从而推动了相关的研究，以进一步提高它们的电化学性能。而除此之外，一个重要的问题是锂空气电池在极端环境下的性能表现。比如高温环境下，通常使用的有机电解液由于其易燃、易爆、易挥发的特点而潜在安全风险，并且电化学窗口不够宽，而液态电解液也存在着在使用过程中漏液的风险，这些都限制了锂空气电池的发展[3,4]，所以一种能够在高温环境下稳定工作的锂空气电池具有显著的重要性。

目前已经报道的高温稳定的锂空气电池已经实现了电池耐受温度相对于室温的初步提升，并且具有较好的稳定性[5,6]。但是多数的策略是采用无机固体的电解质，该种电解质制备复杂，条件苛刻，并且电解质大多脆性，柔韧性不足[5]；另外一种策略是采用了混合熔融盐作为电解质，该种电解质的缺点则体现在温度必须高达熔融盐熔点以上才能正常工作，从而无法在普通室温环境下正常工作[6]。而离子液体作为一种新型的绿色溶剂，具有较低的蒸气压，较宽的电化学窗口和优越的稳定性，从而具有极佳的应用前景。针对上述情况，我们采用了离子液体复合高分子材料，设计了一种可以在高温环境下稳定工作的纤维状锂空气电池。该种锂空气电池可以在高达140℃的温度下稳定工作，并且在10 A g^-1的大电流下循环充放380圈以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在高温下稳定工作的纤维状锂空气电池及其制备方法。

本发明提供的高温稳定的纤维状锂空气电池，具体组成如下：

（1）以置于电池内层的细长金属锂丝作为负极；

（2）以置于纤维状锂空气电池同轴结构中部的离子液体复合高分子材料，作为耐高温固态聚合物电解质；

（3）以置于电池外层的多孔碳纳米材料作为正极。

本发明中，所述的细长金属锂丝表面光洁，未被氧化，直径在0.1-3 mm。

本发明中，所述的金属锂丝被插入导电金属集流体（材质可为铜，镍，铝，不锈钢等）引出电极。

本发明中，所述的耐高温固态聚合物电解质由(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的N-甲基吡咯烷酮溶液和锂盐以及离子液体的乙腈溶液混合固化得到。即所述的耐高温固态聚合物电解质中，以 (聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物作为骨架材料，锂盐和离子液体嵌入其中。

本发明中，所述(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的N-甲基吡咯烷酮溶液中的质量比为：(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物：N-甲基吡咯烷酮溶液=(3~6):(7~4)；而锂盐：离子液体：乙腈=(2~3):(3~5):(3~4)（质量比）。

本发明中，所述锂盐为双三氟甲磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双（三氟甲烷磺酰基）咪唑锂、三氟甲磺酸锂、六氟砷酸锂、双草酸硼酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂等中的一种，或其中几种混合；离子液体为1-正丁基-1-甲基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸、三甲基正己基铵二(三氟甲基磺酰)亚胺、N-甲基-N-丙基吡咯二(三氟甲基磺酰)亚胺、1-丁基-4-甲基吡啶二(三氟甲基磺酰)亚胺等中的一种，或其中几种混合。

本发明中，所述的多孔碳纳米材料为取向或无规的碳纳米管材料，石墨烯材料等。

本发明提供的上述高温稳定的纤维状锂空气电池的制备方法，具体步骤如下：

（1）将导电金属集流体插入光亮未被氧化的细长金属锂丝内引出电极；

（2）将(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物的颗粒与N-甲基吡咯烷酮按一定比例混合搅拌均匀，得到高分子溶液；

（3）将锂盐、离子液体与乙腈按一定比例混合搅拌均匀，得到混合盐溶液；

（4）将步骤（2）和步骤（3）所得到的高分子溶液与混合盐溶液按一定比例混合搅拌均匀，得到电解液凝胶；

（5）将步骤（4）所得到的电解液凝胶蘸涂在步骤（1）所得到的金属锂丝负极上并固化；

（6）在步骤（5）所得到的包裹了固态电解质的锂丝负极上缠裹上多孔碳纳米材料并用导电金属丝或碳纳米纤维引出电极，即得到所述的高温稳定的纤维状锂空气电池。