[发明专利]一种双阴极结构及利用其制得的锂氧电池

说明书

本发明公开一种双阴极结构及利用其制得的锂氧电池，双阴极结构包括内层阴极、气体阻挡层、外层阴极。双阴极结构应用在锂氧气电池中，内层阴极为液相催化剂的活化提供了新的电子传递通道，保障了电池持续性的低充电电压，进而减少副反应的发生。通过气体阻挡层来阻止Li₂O₂在内层阴极的沉积，保证了内层阴极与液相催化剂电子传递的有效进行。外阴极同时具有电子传递、存储Li₂O₂放电产物的作用。双阴极结构的锂氧气电池解决了副产物在传统锂氧气电池阴极上积累造成液相催化剂无法活化的难题、是迄今为止较为先进的锂氧气电池结构。

技术领域

本发明属于锂-氧气电池技术领域，具体涉及一种双阴极结构及利用其制得的锂氧电池。

背景技术

非质子锂氧气电池的理论能量密度高达3500Wh kg^-1，比当前商业化的锂离子电池能量密度高出一个数量级，因此其在电动汽车、便携式电源等领域具有广阔的应用前景。

由于锂氧气电池的放电产物Li₂O₂的固有电子传导率低、以及正极反应过程中存在的活性中间体，造成了正极反应电子传递受限和大量副反应，导致电池有限的循环寿命和特定容量，制约了锂氧气电池的实际应用。

针对上述问题，一个重要的研究策略是通过将双液相氧还原OER和析氧ORR催化剂引入到电解质中，实现高效液相催化Li₂O₂的形成和分解反应，例如2,5-二叔丁基-1,4-苯醌(DBBQ)为代表的液相ORR催化剂和2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧气化物(TEMPO)为代表的OER催化剂(Nature Energy.2017,2,17118)。由于O₂/Li₂O₂和RMs之间的有效电子转移，可溶性RMs可以大大提高电池的能量效率，同时抑制活性氧中间体和¹O₂的产生，从而改善了Li₂O₂形成和分解的反应可逆性，从而减少电池的副反应。

即使如此，基于ORR和OER的双液相催化剂组装的锂氧气电池仍然没有实现长的循环寿命。其根本原因在于，电池在运行过程中，副产物和未分解的Li₂O₂在阴极不断累积，生成了不导电的钝化层，造成正极电子传递受限。液相催化剂分子不能快速再生，导致电池的充电电位不断升高，使电池循环状况进一步恶化。

本申请构建一种双阴极结构的锂氧气电池，包括锂负极，隔膜，含双相催化剂的电解液以及由内层阴极，气体阻挡层和外层阴极组成的双阴极结构的正极。内层阴极的引入实现液相催化剂的稳定和快速活化，保证了电极与液相催化剂电子传递的有效进行。气体阻挡层的主要作用是防止放电产物在内层阴极的沉积，从而保障内层阴极与液相催化剂分子间电子传递的高效性。外阴极同时具有电子传递、存储Li₂O₂放电产物、以及还原液相催化剂的作用。双阴极结构正极的引入不仅可以显著提升液相催化剂的活化效率，而且可以大幅度抑制电池副反应的程度，从而延长电池运行时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双阴极结构及利用其制得的锂氧电池。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种双阴极结构，包括内层阴极和外层阴极，内层阴极和外层阴极之间被气体阻挡层隔开，所述内层阴极为碳布或碳膜，所述外层阴极为负载碳材料的导电基底；所述气体阻挡层制备过程如下：在气体阻挡层或经等离子体清洗机处理过的气体阻挡层上滴加电解液浸透，即得吸附有电解液的气体阻挡层，所述气体阻挡层的材质为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚酰亚胺膜、聚酰胺膜、氨纶和芳纶膜中的一种。