[发明专利]一种可室温运行的聚合物基固态可再充电金属-空气电池在审

专利信息
申请号: 202210210115.8 申请日: 2022-03-04
公开(公告)号: CN114552074A 公开(公告)日: 2022-05-27
发明(设计)人: 王家钧;任丽萍;姜再兴;孔凡鹏;王旭峰;孙楠;安汉文;娄帅锋;尹鸽平 申请(专利权)人: 哈尔滨工业大学
主分类号: H01M12/08 分类号: H01M12/08;H01M4/90
代理公司: 哈尔滨龙科专利代理有限公司 23206 代理人: 李智慧
地址: 150001 黑龙*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 一种 室温 运行 聚合物 固态 充电 金属 空气 电池
【说明书】:

一种可室温运行的聚合物基固态可再充电金属‑空气电池,属于电池技术领域,具体方案如下:一种可室温运行的聚合物基固态可再充电金属‑空气电池,包括正极、负极和聚合物基固态电解质,所述正极包括导电碳材料和光催化剂,所述光催化剂原位生长在导电碳材料上。本发明利用金属空气电池的半开放体系的优势,结合复合正极优异的吸收太阳光的能力,在保证光辅助降低反应过电位的前提下,利用电极的光热作用实现电极自加热,从而剔除聚合物基固态可再充电金属‑空气电池工作时需要外加的热源。采用光电热协同作用的方式实现聚合物基固态可再充电金属‑空气电池在无外加热源条件下运行,电池组装工艺简单、充放电过电位适中、循环性能好。

技术领域

本发明属于电池技术领域,具体涉及一种可室温运行的聚合物基固态可再充电金属-空气电池。

背景技术

锂离子电池作为最可依赖的一种能量储存体,因其具有相对较高的能量密度、良好的倍率性能和循环稳定性等特点,已经成为主要的动力系统,并深入到人们生产生活的各个方面。然而,锂离子电池的能量密度已经发展到了极限,难以满足未来社会的发展对高比能动力系统的需求。因此,开发出具有更高能量密度的下一代储能电池是重要的研究课题。

可再充电金属-空气电池中应用最广的是锂-空气电池,锂-空气电池是一种使用金属锂作为负极,空气中的氧气作为正极活性物质的电池体系,其理论能量密度高达5.21kWh kg-1(含氧气)或11.14kWh kg-1(不含氧气),可与汽油(12.22kWh kg-1)相媲美,超出了锂离子电池的理论能量密度(200-250Wh kg-1)近十倍。因此,锂-空气电池作为一种新式的绿色二次能源,有能力代替传统的锂离子电池而被广泛研究。目前可充电的二次锂-空气电池至今多数都是在实验室内进行扣式电池研究,软包电池的研发较少。现有的技术中,非水系有机电解液主要以有机碳酸类电解液作为有机电解质溶液,但电解质的泄露和由此引发的电池爆炸、火灾时有发生。要提高锂-空气电池的安全性,最直接有效的方式就是使用固态电解质,在保证较高的能量密度的同时,又可以兼具安全性。

氧化物固态电解质具有较高的离子导电性,但是其与电池的电极的界面接触电阻较大,且电池反应中的锂离子和氧负离子只在层与层接触面传递,电池极化电阻也较大。因此,对具有氧化物类固态电解质的锂空气电池的组装工艺要求较高。硫化物类固态电解质具有较高的离子电导率,但空气稳定性差,不能用于锂-空气电池体系。所以聚合物基电解质是最具有潜力的锂-空气电池的固态电解质。尽管如此,具有聚合物基固态电解质的锂空气电池面临着需要在较高的温度下才能保证离子的传输的问题,聚合物电解质较窄的电化学稳定窗口,无法承受锂-空气电池较大的充放电反应过电位而造成循环稳定性差,因此,开发具有良好的催化活性和足够电子电导率、锂离子导电性和丰富的空隙这三个方面的要求对于空气电极是非常必要的。同时,因聚合物电解质需要在高温条件下运行而过渡依赖外加电源的问题也亟待解决。因此,实现兼具高比能、高安全性的固态锂-空气电池需要降低充放电反应过电位,和通过其他的方式来代替外加热源,真正实现便捷式高比能锂-空气电池的实际应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中聚合物基固态可再充电金属-空气电池在使用时需要外加热源的问题,提供一种循环性能强、安全性能高的聚合物基固态可再充电金属-空气电池,通过太阳能实现其在室温的运行。

为了实现上述目的,本发明采取如下技术方案:

一种可室温运行的聚合物基固态可再充电金属-空气电池,包括正极、负极和聚合物基固态电解质,所述正极包括导电碳材料和光催化剂,所述光催化剂原位生长在导电碳材料上。

进一步的,所述光催化剂占正极的质量百分比为5%~25%,导电碳材料占正极的质量百分比为75%~95%。

进一步的,所述光催化剂包括过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、C3N4、钒酸铋、钙钛矿和贵金属等具有光催化活性的催化剂中的至少一种。

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