[发明专利]一种柔性锂-二氧化碳软包电池及其制作方法

说明书

本发明公开了一种柔性锂‑二氧化碳软包电池及其制作方法，该电池具有低充电电压，高能量效率和长循环稳定性的特点。该软包锂‑二氧化碳电池整体包括封装材料和电芯；封装材料为铝塑膜，一侧设置有孔洞；电芯自负极依次设置有金属锂带、隔膜、负载活性物质铜铟硫(CuInSsubgt;2/subgt;)的柔性碳布；隔膜吸附有电解质溶液；所述的负极和正极上分别粘附有对应的极耳。本发明所制备的锂‑二氧化碳软包电池充电电压低至约3.4V，稳定充放电循环约400周，高效节能，且材料合成方法简单，软包制作工艺快捷，成本低廉，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种软包电池及其制备方法，具体涉及一种低充电电压，长循环稳定性和高能量效率的柔性锂-二氧化碳软包电池及其制备方法，属于金属- 空气电池领域。

背景技术

随着全球人口的继续增长，工业化程度不断提高，伴随而来的是能源的急剧消耗，温室气体不断排放，不仅加重了能源危机，也造成了环境恶化。为此，研究人员试图利用先进的技术将大气中的二氧化碳或极端环境下的二氧化碳转化为可利用的资源，这样可以实现二氧化碳的清洁处理，同时也将二氧化碳做为储备能源，同时实现二氧化碳的固定与转化。二氧化碳电化学技术作为清洁的科学技术，能够实现二氧化碳的高效地资源化利用。锂-二氧化碳电池作为其中的载体，可以起到一箭双雕的作用，采用电化学技术实现二氧化碳固定与转化，提供能源存储和供应，即解决了环境问题，也解决了能源问题。锂-二氧化碳电池有别于传统需要额外能耗的固碳和储能手段，完全契合可持续发展理念和“碳中和，碳平衡”战略。

相比于商业化锂离子电池，锂-二氧化碳电池具有高容量和高能量密度(理论值：1875Wh kg^-1)，而锂离子电池理论能量密度较低，无法实现长时间供能。另外，随着可穿戴电子设备为不断发展，可充电电池广泛应用于各种便携式电子设备中，但因锂离子能量密度较低，常面临电量不足而不断充电的情况，且目前的锂离子电池普遍都是刚性平面结构，具有较大的质量与空间，越发难以满足可穿戴电子产品对其能源附件高度柔性的迫切需求。锂-二氧化碳电池以其能量密度高、能效经济和环境友好等特性近些年受到广泛关注，不同于锂离子电池中锂离子的可逆脱嵌，锂-二氧化碳电池的锂的可逆储存是源于正极活性材料表面的二氧化碳电催化还原反应，对应形成放电产物碳酸盐类和电催化析出反应，对应放电产物分解。催化剂的形貌、结构、成分和带隙结构等物理化学性质将直接影响正极的催化效能，也是决定电池电化学性能的关键因素之一，因此寻找合适的正极催化剂是推动高性能锂-二氧化碳电池往实用性发展的关键问题。目前，科琴炭黑，碳纳米管和石墨烯等碳材料作为阴极催化剂已经报道，但这些正极材料能量效率不高且保持较高的充电电压，金属及其合金 (如Ru、RuRh)、半导体(如Mo₂C、RuP₂)是两种可以有效降低充电电位的主要材料，但也存在不能长期稳定循环充放电问题。此外，大多材料需要借助刚性的基底才能成为锂-二氧化碳电池空气阴极正常工作，这样不适合组装为轻量化、高度柔性的可穿戴电子设备的储能器件。引入碳布、高导电碳纳米管薄膜等柔性基底代替刚性基底，并利用其高导电的优势与正极催化剂简单复合构成锂-二氧化碳柔性空气阴极，再与隔膜、金属锂等叠层堆积，利用简便快捷的软包电池工艺，制备具有低充电电压，高能量效率和长稳定循环性的柔性锂-二氧化碳软包电池，借助柔性基底具备不同条件的柔性功能，可自定义大小与不同弯曲环境，在未来多元化电子储能中具有广泛的应用价值。

发明内容

本发明提供了一种兼具低充电电压，高能量效率和长稳定循环性的柔性锂- 二氧化碳软包电池及其制备方案。本方案所制得的柔性锂-二氧化碳软包电池正极材料分散性较好，粒径较小，与柔性基底碳布复合后具有良好的电化学性能，可将充电电势降低至约3.4V，从而降低电能消耗，提高能量效率，促进电池充放电可逆性，实现长稳定循环性。且得益于正极基底，玻璃纤维隔膜，负极锂带和包装铝塑膜的柔性，组装软包电池各组分在各种变形下仍然能够保持良好的接触，离子和气体的正常扩散和器件完整构造，使得这种柔性的锂二氧化碳软包电池能够在各种异变条件下正常工作，其工艺快捷，适于规模化生产，应用前景广阔。

本发明主要通过以下技术方案得以实现：