[发明专利]基于N-甲基吩噻嗪添加剂的电解液及其制备的锂氧气电池

说明书

本发明涉及一种基于N‑甲基吩噻嗪添加剂的电解液，包括质子惰性的有机溶剂，N‑甲基吩噻嗪(MPT)添加剂以及电解质锂盐，其中，N‑甲基吩噻嗪的结构式如下：本发明还提供了一种锂氧气电池，包括负极、正极、固体陶瓷复合电解质膜、吸液膜以及上述基于N‑甲基吩噻嗪添加剂的电解液。本发明的电解液添加了MPT，其氧化态可以通过固‑液界面反应高效分解放电产物，使得锂氧气电池具有较高的能量转换效率和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂空气电池领域，尤其涉及一种基于N-甲基吩噻嗪添加剂的电解液及其制备的锂氧气电池。

背景技术

锂氧气电池(或锂空气电池)因其具有极高的理论能量密度和质量轻等优点，而成为下一代高储能体系的研究热点和未来动力汽车的最佳选择。但是，要真正实现该电池体系的实用化，需要解决很多棘手的关键技术问题。

其中最大的难题就是，电池放电过程中产生不溶性放电产物，即过氧化锂，其具有低电子电导率；同时，氧还原/氧析出反应中过于缓慢的动力学造成放电过程中过电压较大，尤其是充电过程。这不仅会直接降低电池的能量转换效率，还会促进电解液在高电位下严重分解，削减电池的循环寿命。

开发高效率催化剂来促进放电产物过氧化锂的分解，是有效降低锂氧气电池充电电位的方法。近年来许多研究人员致力于开发固体催化剂，如贵金属、碳材料、金属氧化物和氮化物等。结果表明这些固相的催化剂在一定程度上确实降低了充电电压，但所使用的催化剂与过氧化锂之间在固—固界面上的不可移动性，使其催化活性区域仅局限于靠近反应界面处，从而制约了电池能量转换效率的大幅提升。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于N-甲基吩噻嗪添加剂的电解液及其制备的锂氧气电池，本发明的电解液添加了N-甲基吩噻嗪，其氧化态可以通过固-液界面反应高效分解放电产物，使得锂氧气电池具有较高的能量转换效率和优异的循环稳定性。

本发明提供了一种基于N-甲基吩噻嗪添加剂的电解液，包括质子惰性的有机溶剂，N-甲基吩噻嗪添加剂以及电解质锂盐，其中，N-甲基吩噻嗪(MPT)的结构式如下：

进一步地，质子惰性的有机溶剂为乙二醇二甲醚(DME)、三乙二醇二甲醚(G3)、四乙二醇二甲醚(TEGDME或G4)或二甲基亚砜(DMSO)。

进一步地，电解质锂盐为三氟甲基磺酸锂(LiCF₃SO₃)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiN(SO₂CF₃)₂)、高氯酸锂(LiClO₄)和六氟磷酸锂(LiPF₆)中的一种或几种。

进一步地，电解液中电解质锂盐的浓度为0.5-1.0molL^-1。

进一步地，电解液中N-甲基吩噻嗪的浓度为0.01-0.1molL^-1。

本发明的电解液通过充电过程MPT产生的氧化态与放电产物过氧化锂之间的固-液化学反应，改善电池的能量转换效率和循环稳定性能。

本发明还提供了一种采用上述基于N-甲基吩噻嗪添加剂的电解液所制备的锂氧气电池。

进一步地，锂氧气电池还包括负极、正极、固体陶瓷复合电解质膜以及吸液膜。

进一步地，负极包括金属锂和铜集流体；正极包括多孔碳正极材料和集流体。将上述多孔碳正极材料涂在集流体上，作为正极。

进一步地，多孔碳正极材料为导电碳黑(SuperP)、科琴黑(KetjenBlack)、单壁碳纳米管(SWCNT)和石墨烯中的一种或几种。