CN105845847A - 一种可控复合阳极结构锂氧电池 - Google Patents

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Abstract

一种可控复合阳极结构锂氧电池,包括电池壳体,在电池壳体内依次设有复合阳极、隔膜、电解液、隔膜、阴极气体扩散电极,在不锈钢壳体上设有与空气腔室连通的气体管路和气体阀门,在不锈钢壳体内位于复合阳极一端设有可视化壳体,在所述两个绝缘壳体对应复合阳极处分别设有更换口Ⅰ和更换口Ⅱ,在更换口Ⅱ内设有密封塞,所述电池壳体上设有内装多片复合阳极的阳极可控腔室,在阳极可控腔室上插装有与更换口Ⅰ对应的推拉板。优点是:电池结构合理,可以通过阳极控腔室对复合阳极进行补给更换,使得锂氧电池可以连续工作,从而延长了电池的使用寿命,该锂氧电池首次放电容量≥2350mAh/kg,循环次数大于95次,连续工作时间超过120天。

Description

一种可控复合阳极结构锂氧电池
技术领域
本发明涉及一种可控复合阳极结构锂氧电池。
背景技术
锂氧电池是一种用锂金属作为负极,以空气中的氧气作为正极反应物的电池。放电过程:阳极的金属锂释放电子后成为锂阳离子(Li+),Li+穿过电解质材料,在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2),并留在阴极,锂氧电池的开路电压为2.91V。
锂氧电池比锂离子电池具有更高的能量密度,因为其阴极(以多孔碳为主)很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。氧气作为锂氧电池阴极反应物不受限,该电池的容量仅取决于锂电极,其比能量为5,210Wh/kg(包括氧气质量)或11,140Wh/kg(不包括氧气),相对于其他的金属-空气电池,锂氧电池具有更高的比能量。因此,锂氧电池以其具有较高的理论比容量和比能量以及对环境友好等特性而成为目前备受关注的能量转换体系。但锂氧电池放电过程中,由于阴极侧的氧气易透过电解液渗透到阳极,氧化金属锂而失去放电能力,随着放电的长时间进行,而导致放电终止,影响锂氧电池的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可控复合阳极结构锂氧电池,克服阳极金属锂受电池内部氧气或水的腐蚀,最终导致放电终止,从而导致锂氧电池比能量及循环性能偏低的问题。
本发明的技术解决方案是:
一种可控复合阳极结构锂氧电池,包括由不锈钢壳体及设在不锈钢壳体内的两个绝缘壳体围成的电池壳体,在电池壳体内依次设有复合阳极、隔膜、电解液、隔膜、阴极气体扩散电极,不锈钢壳体内位于阴极气体扩散电极右侧留有空气腔室,并在不锈钢壳体上设有与空气腔室连通的气体管路和气体阀门,其特殊之处是:在不锈钢壳体内位于复合阳极一端设有可视化壳体,用于观察电池壳体内的复合阳极腐蚀情况;在所述两个绝缘壳体对应复合阳极处分别设有更换口Ⅰ和更换口Ⅱ,在更换口Ⅱ内设有密封塞,所述电池壳体上设有内装多片复合阳极的阳极可控腔室,在阳极可控腔室上插装有与更换口Ⅰ对应的推拉板。
在所述推拉板上端具有卡沿,推拉板***阳极可控腔室后通过卡沿定位。
在所述阳极可控腔室内设有弹簧,用于将多片复合阳极推靠在推拉板上。
所述复合阳极由竖置的正方形泡沫镍片、右侧竖置的正方形锂铝合金片、水平嵌入锂铝合金和泡沫镍中心位置的圆形金属锂片组成,其中,锂铝合金片、泡沫镍片和金属锂片的厚度比为1:1:2,泡沫镍片是电子的良导体,可以起到集流作用,锂铝合金片具有抗腐蚀、保护金属锂片的作用,该结构复合阳极可以有效抑制金属锂片的腐蚀,提高了电池的比能量、循环性能以及工作寿命。
所述阳极可控腔室内装有5片~10片复合阳极。
所述泡沫镍和锂铝合金的大小相同,所述金属锂的直径与泡沫镍的边长比例为1:2~1:3。
所述可视化壳体的材质为有机玻璃。
所述可视化壳体的边长为20mm~30mm。
所述阴极扩散电极分为扩散层与催化层两部分,其中催化层中催化剂是由质量比为4:2:4的二氧化锰、氧化镧与碳载铂组成的。
本发明的有益效果:
电池结构合理,通过可视化壳体观察,在复合阳极的金属锂腐蚀之后,可以通过阳极控腔室对复合阳极进行补给更换,使得锂氧电池可以连续工作,锂氧电池不会因金属锂腐蚀而停止工作,从而延长了电池的使用寿命,该锂氧电池首次放电容量≥2350mAh/kg,循环次数大于95次,连续工作时间超过120天。
附图说明
图1为本发明的可控阳极锂氧电池的结构示意图;
图2为图1中复合阳极的左视图。
图中;1-阳极可控腔室,2-复合阳极,201-泡沫镍片,202-锂铝合金片,203-金属锂片,3-隔膜,4-电解液,5-阴极气体扩散电极,6-推拉板,601-卡沿,7-电池壳体,701-绝缘壳体,702-不锈钢壳体,8-可视化壳体,9-气体阀门,10-气体管路,11-弹簧,12-更换口Ⅰ,13-更换口Ⅱ,14-密封塞。
具体实施方式
实施例1
如图所示,该可控复合阳极结构锂氧电池,包括由上、下敞口的不锈钢壳体702及横置于不锈钢壳体702的上、下口内的两个绝缘壳体701围成的电池壳体7,在电池壳体7内由左向右依次竖置有复合阳极2、隔膜3、电解液4、隔膜3、阴极气体扩散电极5,不锈钢壳体702内位于阴极气体扩散电极5右侧留有空气腔室,并在不锈钢壳体702上设有与空气腔室连通的气体管路10和气体阀门9,在不锈钢壳体702内位于复合阳极2一端嵌有边长为20mm~30mm、材质为有机玻璃的可视化壳体,用于观察电池壳体7内的复合阳极2腐蚀情况,本实施例以可视化壳体8为边长为20cm的正方形为例;在所述两个绝缘壳体701对应复合阳极2处分别设有更换口Ⅰ12和更换口Ⅱ13,在更换口Ⅱ13内设有密封塞14,所述电池壳体7上设有内装5片~10片复合阳极2的阳极可控腔室1,本实施例以装有7片复合阳极为例,在阳极可控腔室1上插装有与更换口Ⅰ12对应的推拉板6,在推拉板6上端具有卡沿601,推拉板6***阳极可控腔室1后通过卡沿601定位,在所述阳极可控腔室1内设有弹簧11,用于将多片复合阳极2推靠在推拉板6上;
所述复合阳极2由左侧竖置的正方形泡沫镍片201、右侧竖置的正方形锂铝合金片202、水平嵌入锂铝合金片202和泡沫镍片201中心位置的圆形金属锂片203组成,其中,泡沫镍片201和锂铝合金片202的大小相同,金属锂片203的直径与泡沫镍片201的边长比例为1:2,锂铝合金片202、泡沫镍片201和金属锂片203的厚度比为1:1:2,泡沫镍片201是电子的良导体,可以起到集流作用,锂铝合金片202具有抗腐蚀、保护金属锂片203的作用,该结构复合阳极2可以有效抑制金属锂片203的腐蚀,提高了电池的比能量、循环性能以及工作寿命。
所述阴极气体扩散电极5分为扩散层与催化层两部分,其中催化层中催化剂是由质量比为4:2:4的二氧化锰、氧化镧与碳载铂组成的。
工作时,通过可视化壳体8观察复合阳极2的金属锂片203腐蚀情况,需要更换复合阳极2时,取下密封塞14,提拉推拉板6,阳极可控腔室1内的复合阳极2在弹簧11压力的作用下,向左侧移动,最左侧的复合阳极2移动至与更换口Ⅰ12对应位置,压下推拉板6,使电池壳体7内的复合阳极2由更换口Ⅱ13被压出,阳极可控腔室1内的复合阳极2全部压入电池壳体7内,装入密封塞14,使电池壳体7密闭。
实施例2
如图所示,该可控复合阳极结构锂氧电池的结构和复合阳极结构同实施例1,其中复合阳极的金属锂的直径与泡沫镍的边长比例为1:3。
实施例3
如图所示,该可控复合阳极结构锂氧电池的结构和复合阳极结构同实施例1,其中复合阳极的金属锂的直径与泡沫镍的边长比例为1:2.5。
本发明实施例1~实施例3的可控复合阳极结构锂氧电池复合阳极的泡沫镍片、锂铝合金片和金属锂片厚度分别为0.1mm、0.1mm、0.2mm;
隔膜的材质为聚丙烯微孔膜Celgard 2400。
电解液为LiPF6的EC/EMC/DMC溶液(EC为碳酸乙烯酯,EMC为碳酸甲乙酯,DMC为碳酸二甲酯);
阴极气体扩散电极为常规空气电极,它分为扩散层与催化层两部分;
将碳纸置于80℃电热板上,使用喷枪依次将制备好整平层浆料与催化层浆料在0.2MPa的压力下喷涂在碳纸表面,在60℃干燥2h,然后从中取直径38mm的圆片作为空气电极备用;取下的空气电极置于60℃的干燥箱中干燥12h得阴极气体扩散电极;
整平层浆料:称取100mg碳粉置入小烧杯内,随后加入250mg质量分数10%的黏结剂溶液、1000mg乙醇和1000mg水,超声分散2h,备用;
催化层浆料:分别称取80mg碳粉、8mg二氧化锰、4mg氧化镧与8mg碳载铂置入小烧杯内,随后加入200mg质量分数10%的黏结剂溶液、800mg乙醇和800mg水,超声分散2h,备用。
实施例1~实施例3的可控复合阳极结构锂氧电池的电化学性能
首次放电容量 循环次数 连续工作时间
实施例1 2500mAh/kg 97次 125天
实施例2 2450mAh/kg 96次 122天
实施例3 2530mAh/kg 98次 127天
以上仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可控复合阳极结构锂氧电池,包括由不锈钢壳体及设在不锈钢壳体内的两个绝缘壳体围成的电池壳体,在电池壳体内依次设有复合阳极、隔膜、电解液、隔膜、阴极气体扩散电极,不锈钢壳体内位于阴极气体扩散电极右侧留有空气腔室,并在不锈钢壳体上设有与空气腔室连通的气体管路和气体阀门,其特征是:在不锈钢壳体内位于复合阳极一端设有可视化壳体,用于观察电池壳体内的复合阳极腐蚀情况;在所述两个绝缘壳体对应复合阳极处分别设有更换口Ⅰ和更换口Ⅱ,在更换口Ⅱ内设有密封塞,所述电池壳体上设有内装多片复合阳极的阳极可控腔室,在阳极可控腔室上插装有与更换口Ⅰ对应的推拉板。
2.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:在所述推拉板上端具有卡沿,推拉板***阳极可控腔室后通过卡沿定位。
3.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:在所述阳极可控腔室内设有弹簧,用于将多片复合阳极推靠在推拉板上。
4.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述复合阳极由竖置的正方形泡沫镍片、右侧竖置的正方形锂铝合金片、水平嵌入锂铝合金和泡沫镍中心位置的圆形金属锂片组成,其中,锂铝合金片、泡沫镍片和金属锂片的厚度比为1:1:2。
5.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述阳极可控腔室内装有5片~10片复合阳极。
6.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述泡沫镍和锂铝合金的大小相同,所述金属锂的直径与泡沫镍的边长比例为1:2~1:3。
7.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述可视化壳体的材质为有机玻璃。
8.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述可视化壳体的边长为20mm~30mm。
9.根据权利要求1所述的可控复合阳极结构锂氧电池,其特征是:所述阴极扩散电极分为扩散层与催化层两部分,其中催化层中催化剂是由质量比为4:2:4的二氧化锰、氧化镧与碳载铂组成的。
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