[发明专利]一种全固态锂‑二氧化碳二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型二次电池，特别是一种全固态锂-二氧化碳(Li-CO₂)二次电池及其制备方法，属于新型化学电源领域。

背景技术

近年来，科学工作者和工程师们不断尝试把工业废气，废烟道气，其他二氧化碳排放设施中的二氧化碳(CO₂)储存起来。其中，二氧化碳最主要的存储方式是依靠高压的物理环境，将二氧化碳气体压缩进地下深处来实现贮藏，或者把气态CO₂压缩进旧油田以采出油田底层的石油。但这种将二氧化碳深埋地下的处置方式在经济上是昂贵的，基本上完全依赖国际绿色组织和各国提供的大量补助。因此，人们思考如何将二氧化碳利用起来，将这种工业废气转变成商业产品而获利，而不是花费大量资金将其封存于地下深处。目前，二氧化碳的催化氧化工业，可以生产出各类化学品的基本原料。同时，可以更环保的将废弃CO₂替换掉原油，从而提炼出基础化工原料。由于CO₂是一种稳定分子，如要利用CO₂需要输入能量，这是CO₂转化利用面临的化学难题。

在CO₂的电化学存储方面，人们在电化学还原法将CO₂生成CH₄、C₂H₄、醇和酸，有机络合物的还原固定，光电化学和电催化CO₂，CO₂的仿光合作用及其电化学还原等开展了探索性的研究。近年来，金属-气体电池成为化学储能电源领域的研究热点，以CO₂为气体的金属-二氧化碳电池因具有高比能量、高功率密度、正极活性物质易得等诸多优点而受人关注，但限于电解液组分和添加剂的选择、气体电极的设计和催化剂的选择等，金属-二氧化碳电池始终未能有极大的突破。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种全固态Li-CO₂二次电池，放电过程可以将CO₂高效还原成碳和碳酸锂，同时释放电能。利用全固态电解质有效抑制了电解液的挥发和漏液的发生，提高了电池安全性和稳定性。

该二次电池具有超大容量、较高温运行、环境友好、低成本和长寿命的特点。一体化气体电极的制备方法操作简单、可控性强、一致性好，有利于大规模生产。

本发明的技术方案：

一种全固态Li-CO₂二次电池，其形式为纽扣式电池。所述纽扣式电池由负极壳、弹片、垫片、负极片、一体化复合气体电极和多孔正极壳组装而成。其中负极片为金属锂片，一体化复合气体电极包括全固态无机-有机聚合物电解质以及负载碳纳米管的泡沫镍或碳纸集流体，二氧化碳为正极活性物质。所述的全固态无机-有机聚合物电解质为聚(甲基丙烯酸酯)(PMA)/聚(乙二醇)(PEG-600)-LiClO₄-SiO₂复合聚合物电解质(CPE)，正极导电剂为多壁碳纳米管(CNT)，集流体为辊压后的泡沫镍或碳纸。

所述一体化复合气体电极的制备方法，包括以下步骤：

1)将碳纳米管(CNT)分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并加入质量分数5％-10％的聚偏氟乙烯(PVdF)作为粘结剂，制得分散液。

2)使用对辊辊压机将厚度为3mm泡沫镍辊压成为厚度为0.8mm的泡沫镍。

3)将步骤1)制得的分散液均匀涂覆于辊压后的泡沫镍或碳布集流体上，并置于 120℃烘箱内烘干，制成预制的正极。

4)使用质量分数为甲基丙烯酸酯(MA)单体的1-3％的偶氮二异丁腈(AIBN) 作为引发剂，引发MA聚合。具体方法为，将称量好的AIBN引发剂，加入到MA/PEG 混合溶液中(重量比为65:35)65℃下进行聚合反应30分钟，得到聚(甲基丙烯酸酯) /聚(乙二醇)混合物(PMA/PEG)。将质量分数占PMA/PEG 0-10％的气相SiO₂纳米颗粒加入到1mL的1mol/L LiClO₄的丙酮溶液中，然后保持超声处理1小时。通过超声处理完全溶解后，将该溶液与PMA/PEG混聚物混合，然后在机械搅拌和超声波作用下保持2小时，获得全固态无机-有机复合聚合物电解质(CPE)溶液。