[发明专利]一种全封闭结构有机电解质锂氧电池及其制作方法

说明书

一种全封闭结构有机电解质锂氧电池及其制作方法，属于电化学能源领域。本发明将锂氧电池单元封闭在含有纯氧的外壳内，对反应物氧气进行循环利用，无需额外供应；其中，一部分氧通过预放电，以过氧化锂形式存储。使用时，先进行充电使过氧化锂分解，释放所固定的氧，这样可以使电池循环过程中，电池内部氧气压力始终保持为1atm。本方法将锂氧电池单元封闭在外壳内，解决了环境因素如湿度、二氧化碳等对锂氧电池工作稳定性的影响，同时可以控制电解液的挥发，使电池可以保持长期稳定工作。全封闭结构的锂氧电池能够满足动力电池和储能电池使用条件的需求，环境影响小，适用于各种自然环境。

技术领域

本发明属于电化学能源领域，涉及锂氧电池技术。设计一种具有全封闭结构的锂氧电池，使电池在纯氧环境中运行，不受外界环境的影响，提高循环性能。

背景技术

汽车动力电池的“里程焦虑”和风电、光电等利用中的储能需求，促使人们不断探索提升电池能量密度的新途径。锂具有极高的比容量(3860mAh g^-1)、最负的标准电极电位(-3.04V)和极小的密度(0.534g cm^-3)，若配合使用氧气组成锂氧电池，可以产生高比能量(约3460Wh kg^-1)，且工作方式环境友好(放电吸收氧气，充电放出氧气)，因此受到广泛关注。锂氧电池反应所需的氧气一般来源于空气中的氧气，因此也被称为锂空气电池。

锂氧电池可分为有机电解质、固态电解质、混合电解质和水性电解质四种类型。其中，有机电解质锂氧电池最为常见，其负极主要发生锂沉积/溶解反应。由于锂化学性质活泼，因此有机电解液要进行除水处理。正极过程相对复杂。在电池放电过程中，正极表面发生氧还原反应，形成固态过氧化锂；在充电过程中，过氧化锂分解生成锂离子和放出氧气。

锂氧电池在循环充放电过程中可能产生一些技术问题。在负极方面，金属锂的溶解/沉积过程容易形成枝晶，导致负极体积膨胀、形成无电接触的“死锂”甚至造成正负极短路。在正极方面，由于固态放电产物不导电，充电过程难以彻底分解，导致不断积累，直至正极被完全包覆，电池失效。在电解液方面，氧还原反应中间产物(如超氧离子、单原子氧等)具有极强的氧化性，可使有机电解液分解，进而导致正极生成氢氧化锂、碳酸锂等难分解产物，以及锂负极腐蚀。

为此，人们已经提出了多种解决方案。比如，通过使锂表面SEI膜结构致密化、制备人工保护层等，使负极锂沉积/溶解均匀化，并防止腐蚀性物质接触金属锂；又如，使用化学稳定性好的醚类或砜类有机溶剂制备电解液，并加入氧化还原媒介体等强化过氧化锂分解，保护电解液不受超氧离子和单原子氧的亲核攻击。此外，人们还使用对水分和溶解氧等有阻挡作用的隔膜，阻止有害物质进入负极室，保护锂负极。目前，锂氧电池从技术上已经渐趋成熟，文献报道最高循环次数已达700多圈，并且大倍率充放电性能也比较好。

然而，正极反应由于使用空气中的氧气，锂氧电池一般具有开放结构，从而带来一系列的问题。比如，空气中的水分、二氧化碳甚至氮气等都可以参与电化学反应，从而使放电产物成分复杂，难以充电分解，锂氧电池反应可逆性下降。为此，人们需要投入大量精力开发水分和气体分离膜，以保证只有氧气参加电池反应，但这项工作难度很高，目前研究进展不大。另外，开放结构也导致电解液挥发损失，不利于电池长期稳定运行，并产生安全隐患和环境污染。

发明内容

本发明提出了一种全封闭结构锂氧电池，将具有开放结构的锂氧电池单元封闭在充满纯氧的电池壳内，使其可以稳定工作，不受外界环境变化影响，并可以抑制电解液挥发，提高电池的循环性能。

本发明的技术方案：

一种全封闭结构有机电解质锂氧电池，所述的全封闭结构有机电解质锂氧电池包括电池组外壳1、锂氧电池单元2、进气口3、出气口4、正极接线柱5和负极接线柱6；

所述的进气口3、出气口4设置于电池组外壳1上，连接阀门，可分别与氧气瓶、真空泵连接；