[发明专利]一种固态锂空气电池

说明书

本发明提供了一种固态锂空气电池，包括锂负极、电解质、空气正极和具有开闭功能的封装外壳，电解质包括具有固化功能的电解液和隔膜，锂负极、隔膜、空气正极和封装外壳组成容纳电解液的容纳腔，空气正极与隔膜连接，隔膜为多孔膜，电解液至少包括聚合单体和锂盐，电解液中锂盐的浓度为0.2‑7mol/L；本发明通过电解液的原位固化可在锂负极表面形成聚合物或者保护层，此保护层既可抑制锂枝晶、实现锂离子在负极的均匀沉积，同时起到气体保护层的作用，隔绝氧气、水、二氧化碳等气体与锂负极的直接反应；另外，电解液原位聚合形成聚合物后，可解决传统锂空气电池液态体系电解液挥发问题，从而延长锂空气电池的使用寿命，进而使锂空气电池的使用安全性提升。

【技术领域】

本发明属于锂空气二次电池相关技术领域，具体涉及一种固态锂空气电池。

【背景技术】

锂空气电池具有高出传统锂离子电池10倍的理论能量密度，是锂电池发展的终极目标。锂空气电池通常以金属锂或者含锂材料作为负极，氧气或者空气作为正极，非水的有机电解液、水系电解液、聚合物电解质和固态电解质作为工作电解质，电解质和正负极也可以是流动相。研究最为广泛是非水系有机电解液的锂空气电池，其理论能量密度可以达到3500Wh/kg，远高于现有的任何锂离子电池体系，即使只发挥其理论能量密度的1/4，也是相当可观的水平，并且锂空气电池以氧气或者空气作为工作气体，对环境友好，具有极高的研究价值。

然而，可充放的二次锂空气电池至今大多只在实验室内进行扣式电池研究，软包～Ah级别研发和制备较少。这是因为锂空气电池尽管理论看起来非常理想，但是存在的问题较多，例如锂空气电池以金属锂为负极，传统金属锂负极存在的枝晶问题、体积膨胀等问题在锂空气电池中同样存在，此外，锂空气电池作为一个开放/半开放的体系，还需要解决金属锂在工作气体下的稳定性；对正极一侧的开放窗口，电解液会随着循环逐渐挥发耗开，电池逐渐失效；此外在循环寿命、功率密度、能量效率等诸多方面锂空气电池的性能都有待于提高。

固态电解质在室温下具有较高的离子电导率、不存在电解液的挥发问题，以及其拥有较高的机械强度，可以抑制锂枝晶的生长，是解决锂空气电池实际应用问题的一个较好的方法。但是锂空气电池正极是以气体通道、锂离子通道和电子通道共同组成的三相界面，以无机陶瓷作为电解质的锂空气电池体系正极的设计过于复杂，很难构建三相界面；并且无机陶瓷的使用会大大降低锂空气电池的能量密度，发挥不出锂空气的优势。

【发明内容】

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明采用可原位聚合的电解液，在锂负极表面聚合形成固态/半固态聚合物电解质，可抑制负极锂枝晶的生长，解决电解液的易挥发的问题，提高锂空气电池的安全性和循环寿命，为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种固态锂空气电池，包括锂负极、电解质、空气正极和具有开闭功能的封装外壳，所述电解质包括隔膜和具有固化功能的电解液，所述锂负极、隔膜、空气电极和封装外壳组成容纳所述电解液的容纳腔，所述空气正极与所述隔膜连接且设于所述隔膜远离所述锂负极的一面，所述隔膜为多孔膜，所述电解液至少包括聚合单体和锂盐，所述电解液中所述锂盐的浓度为0.2-7mol/L。

进一步地，所述聚合单体为至少含有一个氧原子的烯烃或至少含有一个氧原子的环状烯烃。

进一步地，所述电解液还包括有机溶剂，所述有机溶剂的体积占所述电解液总体积的10-90％；所述聚合单体的体积占所述电解液总体积的10-90％。

进一步地，所述隔膜为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏氟乙烯-六氟丙烯膜、聚酰亚胺膜、聚碳酸酯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚对苯二甲酸丁二醇酯膜、聚醚丙酮膜、聚间苯二甲酰间苯二胺膜、纤维素膜中的其中一种或两种以上层叠组合。

进一步地，所述锂盐为三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酸)亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂、高氯酸锂、溴化锂、碘化锂、二氟磷酸锂、硝酸锂中的任意一种或两种以上的混合物。