[发明专利]一种可更换电极的卷绕式锂空气固态电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池。

背景技术

锂空气电池以金属锂为负极，氧气为正极，能量密度可达锂离子电池的15倍以上。理论上，由于氧气作为正极反应物不受限制，该电池的容量仅取决于锂电极，比能量为5.21kWh/kg(包括氧气)或11.14kWh/kg（不包括氧气）。相对其他金属-空气电池，锂空气电池的比能量更高，且污染很小。

锂空气电池在长时间放电过程中，氧气在多孔隙空气电极表面生成O^2-或O₂^2-，接着与电解液中Li⁺结合生成产物Li₂O₂或者Li₂O，其不在有机电解液中溶解，因此放电产物仅能在有O^2-或O₂^2-的空气电极上沉积，在负极过量的情况下，放电的终止是由于放电产物堵塞空气电极孔道所致。

锂空气电池采用液态电解质时，由于多孔性空气电极的存在，电池在运动使用过程中，电解液会通过空气电极孔道大量外漏，使得电池失效。

锂空气电池在长时间放电过程中，由于金属锂的不断消耗，正极附近会形成体积差，造成正极负压，从而会引起无法避免的空气或氧气吸入正极，导致金属锂被腐蚀，或者吸入电解质引起电池欧姆电阻加大，最终导致电池失效。

当作为一种一次电池时，尤其是组装成电堆使用时，单体锂空气电池可能会出现两种问题。一种是空气电极完全阻塞时，而负极金属锂为过量储备，若整体更换电池，负极过量的金属锂被浪费；另一种是当负极金属锂消耗完毕，而空气电极还能正常使用，电池只需提供锂源即可工作。上述问题都使得锂空气电池正负极不能同时被完全充分地利用，所以可通过更换电极来解决，以单电极的更换保持电堆的正常运行，既能降低成本，又能提高材料的利用率。因此，目前的锂空气电池存在连续工作过程中，由于放电产物氧化锂或过氧化锂沉积在空气电极上，堵塞空气电极孔道导致放电终止；锂空气电池正负极不能充分利用；并且锂空气电池正极由于金属锂消耗产生负气压问题。

发明内容

本发明是要解决锂空气电池存在在连续工作过程中，由于放电产物氧化锂或过氧化锂沉积在空气电极上，堵塞空气电极孔道导致放电终止；锂空气电池正负极不能充分利用；并且锂空气电池正极由于金属锂消耗产生负气压问题，而提供一种可更换电极的卷绕式锂空气固态电池。

一种可更换电极的卷绕式锂空气固态电池由导电棒、导电片、负极片、凝胶电解质空气正极结合体、正极集流体、正极引线接头、负极气密封头、正极气密封头、气密隔膜和透气外壳构成；其中，导电棒上端为负极接头，负极接头有外螺纹，以导电棒为中心轴，导电棒与导电片一端焊接连接，导电片另一端与负极片挂钩连接，导电片与负极片整体紧密卷绕在导电棒表面，卷绕后的外层负极片表面包覆凝胶电解质空气正极结合体，凝胶电解质空气正极结合体由凝胶电解质膜、空气电极和催化剂组成，催化剂负载于空气电极上，凝胶电解质膜与空气电极渗透结合在一起，凝胶电解质空气正极结合体表面包覆正极集流体，正极集流体下端连接正极引线接头，正极集流体上下端面覆盖气密隔膜，上端面覆盖的气密隔膜外包覆负极气密封头、下端面覆盖的气密隔膜外包覆正极密封头，导电棒上端与负极气密封头以螺纹方式连接，透气外壳包覆在外层，透气外壳与负极气密封头以螺纹方式连接。

本发明的有益效果是：

本发明的电池结构中卷绕式负极片半径相对较小，凝胶电解质空气正极结合体半径相对较大，由圆柱形的侧表面积公式S=2πrl，可知圆柱形的侧表面积与半径成正比，因此，此结构的锂空气电池正极表面积为负极表面积的几倍到十倍，正是由于电池正极的面积远大于负极，可以解决锂空气电池放电过程中，放电产物堵塞空气电极的孔道，使得气体与电解质不能在催化剂表面形成三相界面而导致放电终止的问题。在同等条件下，此结构的锂空气电池连续放电时间会延长数倍。本发明更换电极后会由于内部张力自动连接紧密，避免了负极大量过量金属锂的浪费，使得正负两电极都能得到充分的利用，制备简单，更换操作方便快捷。

本发明用于制备可更换电极的卷绕式锂空气固态电池。

附图说明

图1为可更换电极的卷绕式锂空气固态电池的剖面图，其中1-1为电棒、1-2为导电片、1-3为负极片、2为凝胶电解质空气正极结合体、3为正极集流体、4为正极引线接头、5为负极气密封头、6为正极气密封头、7为气密隔膜、8为透气外壳；

图2为实施例一正极气密封头的俯视图；