[发明专利]一种可以低温工作的锂二氧化碳电池及其制备方法

说明书

本发明属于新能源技术领域，具体为一种可以低温工作的锂二氧化碳电池及其制备方法。本发明的锂二氧化碳电池，以金属锂为负极；以溶解有锂盐的有机醚类溶剂为耐低温电解液；以耐低温多孔膜为隔膜；以负载有催化剂的多孔电极为催化正极；以高分子选择性透过膜为正极保护层；工作温度≤0℃。该电池能够在‑60℃，电流密度为100mA·g^‑1，截止容量为500mAh·g^‑1的条件下循环充放电超过150圈（1500h）。该电池在低温储能器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种可以低温工作的锂二氧化碳电池及其制备方法。

背景技术

由于具有二氧化碳固定和能量储存的双重功能，非质子型锂二氧化碳电池在近些年来引起了越来越多的研究兴趣，为同时应对全球变暖和能源危机这两个重要问题提供了极具应用前景与经济价值的策略。此外，利用二氧化碳作为正极原料使得这一能源系统在航天探索中也发挥了独特的优势，例如其在大气二氧化碳浓度高达96％的火星极具应用前景。因此，最近几年，人们致力于开发高性能催化正极材料、新型电解质添加剂、准固态/固态电解质和柔性电极等电池材料与结构，旨在提高这一新型能源系统的能量密度、功率密度、循环性能与柔性，以使其进一步满足实际应用的要求。

值得注意的是，现阶段报道的锂二氧化碳研究工作全部集中在室温或更高温度下（＞0℃）的工作环境。然而，一个非常重要却尚未被提及的问题在于，锂二氧化碳电池的真实应用场景极有可能是低温甚至超低温环境。例如，火星被普遍认为是最适宜锂二氧化碳电池的应用场所。它是一颗极度寒冷的星球，其表面平均温度约为-60℃。众所周知，工作环境温度会对电池的电化学行为产生重大影响。在过去的研究中被设计用于室温工作的锂二氧化碳电池极有可能无法在0℃以下的环境中正常工作。具体而言，由于环境温度的降低，此类锂二氧化碳电池将面临电解质粘度显著增加、离子电导率显著下降、电极反应动力学过程明显减慢以及电解质与电极之间的界面接触变得槽糕等问题，从而需要借助更多的外部能量来驱动不溶性和绝缘性放电产物的分解，因而使得电池呈现出更高的充放电过电势与较低的能量效率。更糟糕的是，在更低温度下（例如-60℃），电池极有可能因为电解质完全凝固而彻底失去工作能力。现阶段，尚无任何有关可以低温工作的锂二氧化碳电池的相关研究工作。因此，有必要设计与实现一种可以低温工作（≤0℃）的锂二氧化碳电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以低温工作的锂二氧化碳电池及其制备方法。

本发明提供的可以低温工作的锂二氧化碳电池，具体组成如下：以金属锂为负极；以溶解有锂盐的有机醚类溶剂为耐低温电解液；以耐低温多孔膜为隔膜；以负载有催化剂的多孔电极为催化正极；以高分子选择性透过膜为正极保护层。

本发明中，所述的耐低温电解液中，锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂、双（三氟甲烷磺酰基）咪唑锂、双草酸硼酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、硝酸锂等中的一种或几种，有机醚类溶剂为1,3-二氧环戊烷、2-甲基-四氢呋喃、2-二甲氧基乙烷、二乙二醇二甲醚等中的一种或几种混合。

本发明中，所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、纤维素隔膜、玻璃纤维隔膜、聚酰亚胺隔膜、聚酯隔膜等中的一种。

本发明中，所述催化正极中，催化剂为铱碳、钌碳、铂碳、四氧化三钴、氧化锰、二硫化钼中的一种或几种，多孔电极为气体扩散电极、导电碳纸、泡沫镍、不锈钢泡沫、碳纳米管薄膜中的一种或几种，粘结剂为聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、全氟磺酸型聚合物溶液等中的一种。

本发明中，所述低温，即工作温度≤0℃；尤其工作温度可以≤-20℃；特别地，锂二氧化碳电池在-60℃时，仍能够稳定工作。

本发明中，所述的高分子选择性透过膜为聚乙烯膜、有机硅聚二甲基硅氧烷膜、石蜡膜等中的一种。

本发明提供的可以低温工作的锂二氧化碳电池的制备方法，具体步骤为：