[发明专利]一种基于陶瓷固态电解质的柔性阴极及其制备方法和电池

说明书

本发明提供一种基于陶瓷固态电解质的柔性阴极及其制备方法和电池。该制备方法包括：将陶瓷固态电解质包覆在多孔网状基体上；然后将碳基催化材料单面沉积在已包覆陶瓷固态电解质的多孔网状基体的表面。本发明提供的柔性阴极采用的制备方法可减少陶瓷固态电解质用量，削减制造成本，质量较轻，能提供兼具大孔和介孔的多孔结构，电化学稳定窗口较宽，反应界面稳定性高，催化活性高，电池极化低等优点。该柔性阴极与采用光固化的凝胶聚合物电解质以及锂负极进行光固化粘合后，可制备成一体化固态锂空气电池，为高比能固态锂空气电池及其阴极的设计制备提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种基于陶瓷固态电解质的柔性阴极及其制备方法和电池。

背景技术

二次锂空气电池因其采用金属锂作负极，所需活性物质来自于外界氧气，不需要储存在电池正极材料内，因而具有超高的理论能量密度，被誉为“终极电池”。然而，目前采用有机体系电解液的二次锂空气电池面临着有机溶剂容易挥发、化学稳定性和电化学稳定性差、容易发生副反应、易燃等问题，不可避免的限制了锂空气电池的循环性能，也带来安全隐患。开发基于具有不挥发、不易燃、电化学窗口宽等优点的固态电解质的二次锂空气电池，可对上述问题进行有效改进。在这其中，氧化物型固态电解质的离子电导率在室温下可达~10^-3 S/cm（Solid State Commun. 1993, 86, 689−693），且对于水和空气都稳定，是半开放体系锂空气电池可供选择的较为理想的固态电解质类型，其在锂空气电池中的应用已成为研究趋势和当前研究热点。

关于氧化物型固态电解质在锂空气电池中的应用方式，目前研究者们通常所采用的一种技术方案是先将固态电解质做成“致密+多孔”双层薄片的结构，然后再在其多孔层中注射以水为溶剂的10%蔗糖溶液，烘干后进行高温热解，在固态电解质的表面原位生成一层碳单质作为催化剂和放电产物的储存场所（J. Mater. Chem. A 2019，7(7) ， 3150-3160；Energy Environ. Sci. 2015，8(12): 3745-3754.）；然而这种方法生成的碳单质，在高温下可能将与之接触的固态电解质中的高价离子进行还原，造成固态电解质表面的结构破坏和还原副产物的累积，影响其界面离子电导率，最终影响电池的性能。另外有研究者将固态电解质粉末与碳基催化剂材料混合，涂覆在致密的固态电解质薄片上，进行固态电解质在锂空气电池中的应用（J. Mater. Chem. A 2021, Advance Article, doi:10.1039/D0TA12421D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7(31): 17307-17310.），但这种方法使得混合后的电极材料离子电导率进一步降低，具有较大的阻抗，而为了降低其阻抗，提高该电池的循环性，电池还需要采用通常60℃左右的高温工作环境。

另外，上述所用氧化物固态电解质薄片厚度较大时，因锂离子的传输阻碍增大，因而会造成较高的极化；而薄片厚度较小则机械韧性较差，易脆，不便于生产应用。此外，所制备薄片还存在质量较重，制造成本较高等问题，制约了高比能锂空气电池能量密度的发挥，也不利于未来该技术产品的市场推广。因此，需要探索一种新的制备工艺，解决陶瓷固态电解质存在的机械性能差、质量较重等问题，将其以更佳的方式（如较轻的质量，一定的柔韧性等）应用到锂空气电池中，发挥各自的优势，提高电池的性能。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明实施例提供一种基于陶瓷固态电解质的柔性阴极的锂空气电池，以解决现有技术中出现的陶瓷固态电解质易脆，质量较重等问题。