專(zhuān)利名稱(chēng)：：高能安全可充式鋰氧電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高能安全可充式鋰氧電池，可應(yīng)用于各種大容量高功率移動(dòng)設(shè)備和機(jī)械裝置，例如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)游艇、電動(dòng)飛行器、衛(wèi)星通訊機(jī)、火箭發(fā)射器和潛艇用通訊電源等。
背景技術(shù)：
：當(dāng)前，人類(lèi)使用的主要能源是石油，然而使用石油能源帶來(lái)了日趨嚴(yán)重大氣污染、溫室效應(yīng)、破壞臭氧層等環(huán)境污染問(wèn)題，而且石油資源也日益衰竭，因此，研制和發(fā)展電動(dòng)車(chē)或油電混合動(dòng)力車(chē)已成為當(dāng)今世界各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)。動(dòng)力電池是電動(dòng)車(chē)的核心部件。在各種大功率動(dòng)力型電池中，大型鋰離子動(dòng)力電池在現(xiàn)有技術(shù)條件下被列為純電動(dòng)車(chē)首選的動(dòng)力裝置。由于技術(shù)性能上比鉛酸和鎳氫電池優(yōu)越許多，鋰離子動(dòng)力電池是現(xiàn)有技術(shù)條件下純電動(dòng)車(chē)電源的選擇之一。但是，參照下表l、表2的數(shù)據(jù)，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，鋰離子動(dòng)力電池(LiCo02動(dòng)力電池、LiMn04動(dòng)力電池、LiFeP04動(dòng)力電池等)存在如下致命性缺點(diǎn)表l<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>鋰離子動(dòng)力電池存在如下技術(shù)問(wèn)題其一，能量密度非常低，比汽油低85170倍。通常，汽車(chē)加滿(mǎn)汽油后可以連續(xù)行駛400千米，所消耗的汽油為40升、29千克。與此相比，需要使用鋰離子動(dòng)力電池的重量為2.54.9噸。對(duì)于一輛自重約為l噸的小轎車(chē)，裝載如此重量的動(dòng)力電源，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等角度來(lái)看，都是不能接受的；其二，安全性較差。眾所周知，鋰離子動(dòng)力電池中使用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)和薄型多孔隔膜。由于有機(jī)液體電解質(zhì)的閃點(diǎn)較低，穩(wěn)定性差，容易受熱分解、起火燃燒。在電池充放電過(guò)程中，電池內(nèi)部的缺陷或者外部的不當(dāng)使用，薄型多孔隔膜會(huì)出現(xiàn)局部短路，至使電池過(guò)熱，放出大量熱量，有機(jī)液體電解質(zhì)首先分解和燃燒，產(chǎn)生極高的內(nèi)壓而導(dǎo)致電池失火甚至爆炸，在電動(dòng)車(chē)中使用數(shù)量巨大的鋰離子動(dòng)力電池將使安全性和可靠性問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻；其三，循環(huán)壽命低、成本高。在反復(fù)充電和放電的過(guò)程中，電池材料會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化和性能衰減，導(dǎo)致在循環(huán)使用中電池特性改變，出現(xiàn)電池容量下降，內(nèi)阻上升，放電電流減少等。汽車(chē)的使用壽命一般為8年，而電動(dòng)車(chē)的電池在一年左右的時(shí)間，性能變差，甚至不能使用，需要更換新電池組，大大增加了電動(dòng)車(chē)的使用成本。本來(lái)電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池組的價(jià)格已經(jīng)占電動(dòng)車(chē)整車(chē)價(jià)格的50%左右，如果每年需要更換電池組，相當(dāng)于汽車(chē)每年更換一次發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)論從哪個(gè)層面和角度來(lái)看，都是不可接受的。氫燃料電池在電動(dòng)車(chē)中應(yīng)用，同樣存在較多困難和障礙，其主要原因分析如下其一，作為氣體形態(tài)的氫氣，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)确矫?，設(shè)備較復(fù)雜和費(fèi)用成本較高。如果使用液態(tài)氫，其保存起來(lái)也很不方便，必須將氣體形態(tài)的氫氣冷卻到零下253攝氏度才能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)氫。為了實(shí)現(xiàn)零下253攝氏度的液態(tài)氫條件，需要消耗巨大能量和使用昂貴的設(shè)備。以重量為單位計(jì)算能量的話(huà)，不論氣態(tài)還是液態(tài)氫所具有的能量也只有等重汽油的l/4而已。其實(shí)，氫能并不是一種能源形式，因?yàn)槲覀儾皇菑膸r石中將它開(kāi)采出來(lái)的，而是必須用電解或者從天然氣中分離的方法來(lái)生產(chǎn)氫能。也就是說(shuō)，氫能只是轉(zhuǎn)移能源的一種途徑，其本身并不是一種能源；其二，氫燃料電池中使用的質(zhì)子交換膜和催化劑，不僅成本昂貴而且資源有限。質(zhì)子交換膜的價(jià)格是普通鋰電池隔膜的20倍。催化劑中使用鉑或鉑合金，鉑是一種比黃金還貴幾倍的稀有金屬，在地球殼層中的含量?jī)H為0.001卯m，是鋁在地球殼層中的含量的8200萬(wàn)分之一。材料資源稀少和價(jià)格昂貴，導(dǎo)致氫燃料電池?zé)o法在民用市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種高能安全可充式鋰氧電池，可解決傳統(tǒng)鋰離子動(dòng)力電池能量密度低、安全性和可靠性差、循環(huán)壽命低和高成本的問(wèn)題，也能解決氫燃料電池儲(chǔ)存和運(yùn)輸復(fù)雜、隔膜和催化劑成本高、費(fèi)用高的問(wèn)題，是一種高能、安全、可充電的鋰氧電池。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例采用如下技術(shù)方案一種高能安全可充式鋰氧電池，包括正極和負(fù)極，所述負(fù)極的反應(yīng)物采用金屬鋰，所述正極的反應(yīng)物采用氧和水，所述正極和負(fù)極之間設(shè)有固體電解質(zhì)隔膜；所述正極中設(shè)有充電電極。本發(fā)明實(shí)施例的有益效果是通過(guò)提供一種高能安全可充式鋰氧電池，包括正極和負(fù)極，所述負(fù)極的反應(yīng)物采用金屬鋰，所述正極的反應(yīng)物采用氧和水，所述正極和負(fù)極之間設(shè)有固體電解質(zhì)隔膜；所述正極中設(shè)有充電電極，可解決傳統(tǒng)鋰離子動(dòng)力電池能量密度低、安全性和可靠性差、循環(huán)壽命低和高成本的問(wèn)題，也能解決氫燃料電池儲(chǔ)存和運(yùn)輸復(fù)雜、隔膜和催化劑成本高、費(fèi)用高的問(wèn)題，是一種高能、安全和可充電的鋰氧電池。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖l是本發(fā)明的高能安全可充式鋰氧電池的具體實(shí)施例示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池的放電結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池在室溫下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)取得的放電曲線(xiàn)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池的充電結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池在室溫下進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)取得的充放電曲線(xiàn)示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明實(shí)施例提供了一種高能安全可充式鋰氧電池，包括正極和負(fù)極，所述負(fù)極的反應(yīng)物采用金屬鋰，所述正極的反應(yīng)物采用氧和水，所述正極和負(fù)極之間設(shè)有固體電解質(zhì)隔膜；所述正極中設(shè)有充電電極，可解決傳統(tǒng)鋰離子動(dòng)力電池能量密度低、安全性和可靠性差、循環(huán)壽命低和高成本的問(wèn)題，也能解決氫燃料電池儲(chǔ)存和運(yùn)輸復(fù)雜、隔膜和催化劑成本高、費(fèi)用高的問(wèn)題，是一種高能、安全、可充電的鋰氧電池，可廣泛應(yīng)用于各種大容量高功率移動(dòng)設(shè)備和機(jī)械裝置，例如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)游艇、電動(dòng)飛行器、衛(wèi)星通訊機(jī)、火箭發(fā)射器和潛艇用通訊電源等。下面通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高能安全可充式鋰氧電池進(jìn)行說(shuō)明。圖l是本發(fā)明的高能安全可充式鋰氧電池的具體實(shí)施例示意圖，參照該圖，該電池的負(fù)極反應(yīng)物為金屬鋰(Li)，正極反應(yīng)物為氧(02)和水(H20)，該電池從負(fù)極到正極的方向依次包括負(fù)極集流體101，負(fù)極集流體101采用鎳箔、銅箔、不銹鋼箔或者其合金箔材，或者，負(fù)極集流體101采用鎳、銅、不銹鋼或者其合金網(wǎng)材，或者，負(fù)極集流體101采用鍍鎳鋼網(wǎng)或穿孔鎳帶等；金屬鋰102，可以是純鋰或鋰合金，在下表3中可以看到，在所有金屬中，金屬鋰102具有最高的能量密度13000Wh/kg，與表l中列出的汽油能量密度12722Wh/kg相當(dāng)，也就是說(shuō)，與使用40升(29千克)汽油行駛400千米的汽車(chē)相比，使用配備28千克金屬鋰的電池的電動(dòng)車(chē)也可行駛同樣的里程；另外，由于采用金屬鋰102，其存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用都十分方便和簡(jiǎn)單；表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>負(fù)極電解液103，金屬鋰102和固體電解質(zhì)隔膜104都是剛性固體，表面接觸不好，界面電阻較高，負(fù)極電解液103即可為包括電解質(zhì)鹽、有機(jī)溶劑的有機(jī)電解液，從而可以降低金屬鋰102和固體電解質(zhì)隔膜104界面電阻，提升電池的工作電壓和功率，同時(shí)避免水性電解質(zhì)對(duì)金屬鋰102的腐蝕和氧化，電解質(zhì)鹽為六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)和/或二草酸合硼酸鋰(LiBOB)，有機(jī)溶劑為碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙脂(EMC)和/或碳酸二乙脂(DEC)，電解質(zhì)鹽在有機(jī)溶劑中的濃度取值范圍為O.8克分子/升至1.5克分子/升；固體電解質(zhì)隔膜104，固體電解質(zhì)膜104可采用具有如下特性的材料A、高電子絕緣性，對(duì)負(fù)極和正極實(shí)施電子隔絕，迫使電子通過(guò)電池的外部電路做功；B、高鋰離子電導(dǎo)率，在負(fù)極和正極之間對(duì)鋰離子高效導(dǎo)通，使其在負(fù)極和正極之間順暢往返穿梭；C、在電池充電時(shí)，抑制枝狀金屬鋰結(jié)晶的生長(zhǎng)，防止其穿透固體電解質(zhì)隔膜104造成內(nèi)部短路；D、分隔負(fù)極的有機(jī)電解液和正極的堿性水溶液，使二種電解液互不擴(kuò)散和滲透，特別是阻止水分子進(jìn)入有機(jī)電解液并腐蝕金屬鋰102;E、具有較好機(jī)械和化學(xué)強(qiáng)度，在放電反應(yīng)和充電反應(yīng)的負(fù)電位和高正電位條件下，抵抗電化學(xué)腐蝕和氧化，保持良好性能；從材料上區(qū)分，固體電解質(zhì)隔膜104可分為有機(jī)(高分子)類(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)，有機(jī)類(lèi)可以選擇基于三氟甲基磺酰甲基、磺酸鹽、氟烷基硫酸鹽或酰亞胺陰離子的單離子交聯(lián)梳狀支鏈高分子電解質(zhì)，無(wú)機(jī)類(lèi)的包括單質(zhì)固體電解質(zhì)隔膜和復(fù)合固體電解質(zhì)隔膜等，單質(zhì)固體電解質(zhì)隔膜可選擇鋰磷氧氮(LiPON)，其鋰離子電導(dǎo)率約為約為10—5S/cm，復(fù)合固體電解質(zhì)隔膜包括內(nèi)核及外包覆層，可采用鋰離子電導(dǎo)率高(約為10—3S/cm)但化學(xué)穩(wěn)定性較差的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物和磷化物作為內(nèi)核，化學(xué)穩(wěn)定性高、電化學(xué)窗口寬的氧化物材料作為包覆層，內(nèi)核材料可選用硫酸鋰(LiS04)、硅酸鋰(LiSi04)、磷酸鋰(y-Li3P04)、A位缺陷的鈣鈦礦固溶體(Li3xLa(2/3)—x口a/3)—2xTi03(0《X《l))、硫化鋰(Li2S)、鍺化鋰(Li2Ge)和/或硫化磷(P2S5)等，外包覆層材料可選用參雜磷酸鈦鋰Lh+xTi2-xMx(P04)3(M=A1，Ga，In，Sc)等，復(fù)合固體電解質(zhì)隔膜兼容了高鋰離子電導(dǎo)率和高化學(xué)穩(wěn)定性的要求，是本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選的固體電解質(zhì)隔膜l04的材料；提供水的正極電解液105，正極電解液105為堿性水溶液，如氫氧化鋰(LiOH)水溶液等，在放電反應(yīng)時(shí)，鋰離子從負(fù)極表面溶解進(jìn)入有機(jī)電解液，再通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜104進(jìn)入正極，與氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，如果電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物是形成Li20固體粉末物質(zhì)，將會(huì)堵塞正極的反應(yīng)通道，使后續(xù)電化學(xué)反應(yīng)受阻、減緩甚至停止，為了保證電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)不斷和正常進(jìn)行，金屬鋰的放電反應(yīng)的產(chǎn)物必須是液體或氣態(tài)，因此，本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選采用堿性水溶液，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物為L(zhǎng)iOH，以Li+和OH—形態(tài)存在于堿性水溶液之中，使正極的反應(yīng)通道暢通無(wú)阻，空氣順利流入，帶進(jìn)必要的氧氣；多孔碳106，多孔碳106采用活性碳、介孔碳、石墨、乙炔黑、中間相微球或碳納米管；多孔碳106上設(shè)有催化劑107，為了提高正極的反應(yīng)效率，改善電極的極化特性，提高電池的工作電壓及開(kāi)路電壓，可在正極表面使用催化劑107，通常，催化劑107可以為鉑、銠、金、銀等貴金屬或貴金屬合金，其催化效果較好，或者，為了降低成本，催化劑107可以為資源豐富、價(jià)格低廉的過(guò)渡金屬氧化物和/或稀土金屬氧化物，其中，過(guò)渡金屬可以從錳、釩、鐵、鈷、鎳、銅、鉬、鉻、鈦、銀、金和鎢中選擇，稀土金屬可以從鈰、鐠、釤和鋱中選擇，以錳系列催化劑為例，可采用二氧化錳(Mn02)、三氧化二錳(Mn203)、四氧化三錳(Mn304)、堿式氧化錳(MnOOH)等，其具有低價(jià)格、高效率的催化特點(diǎn)；另外，在本發(fā)明實(shí)施例中，可以將適量的多孔碳、導(dǎo)電劑、粘接劑、催化劑通過(guò)攪拌混合、滾壓等方式制成正極層，然后壓制在正極集流體表面；正極集流體108，正極集流體上設(shè)有用于導(dǎo)入氧的通道109，正極集流體108采用鎳、泡沫鎳、鋁、不銹鋼或者其合金網(wǎng)材，或者，正極集流體108采用鍍鎳鋼網(wǎng)或穿孔鎳帶，氧具有較強(qiáng)的電化學(xué)反應(yīng)能力和較高的能量密度，因此優(yōu)選以氧作為正極的反應(yīng)物，從上表3中還可以看到，金屬鋰和氧的電對(duì)電壓是所有金屬與氧電對(duì)中最高的，在實(shí)際電池中也具有最高的工作電壓，不僅提高了電池的能量密度，而且降低了電池組需要串聯(lián)的電池個(gè)數(shù)，提升了電池組的可靠性，減少電池保護(hù)和控制電路裝置的成本費(fèi)用，因?yàn)椋妱?dòng)車(chē)需要的電壓高達(dá)幾十伏特甚至幾百伏特，如果單個(gè)電池具有較高的工作電壓，電池組需要串聯(lián)的電池個(gè)數(shù)可以相對(duì)減少；在所有正電極材料中，從空氣中獲得的氧是最廉價(jià)、輕省和方便的，因此設(shè)有上述用于導(dǎo)入氧的通道109;另外，在電池的正極中可設(shè)有的獨(dú)立的充電電極IIO，專(zhuān)門(mén)供給電池充電所用，其效果是，如果使用多孔碳106進(jìn)行充電，正極的充電反應(yīng)及其相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)，將對(duì)多孔碳106本身和催化劑107產(chǎn)生氧化、腐蝕和毒化等副作用，從而破壞多孔碳106本身和催化劑107的成分、結(jié)構(gòu)及其特性，那么在下一次的循環(huán)放電過(guò)程中，正極的放電性能將受到非常嚴(yán)重的影響，采用獨(dú)立的充電電極110即可避免這一點(diǎn)；(一)下面參照?qǐng)D2對(duì)高能安全可充式鋰氧電池的放電過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，圖2示出了高能安全可充式鋰氧電池放電時(shí)的結(jié)構(gòu)，圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池在室溫下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)取得的放電曲線(xiàn)圖，放電電流為O.lmA/cm2，其中包括外部放電負(fù)載201以及將空氣中的氧更好地提供進(jìn)行反應(yīng)的空氣增壓機(jī)202:上述電池中，負(fù)極的反應(yīng)物鋰的放電反應(yīng)可以如下式(1)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)在電池內(nèi)部，金屬鋰以鋰離子的形式從表面溶解進(jìn)入有機(jī)電解液，再通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜104進(jìn)入正極中的堿性水溶液，形成LiOH作為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，存在于堿性水溶液中；在電池外部，金屬鋰溶解進(jìn)入有機(jī)電解液形成鋰離子時(shí)放出的電子，通過(guò)電池外部電路到達(dá)正極的堿性水溶液中；在電池放電過(guò)程中，堿性水溶液中鋰離子濃度逐步升高；浸泡于堿性水溶液中的正極，由多孔碳106、催化劑107、氧和正極集流體108組成，正極的反應(yīng)物水和氧的放電反應(yīng)如下式(2)所示02+2H20+4e——40H—(2)正極的放電反應(yīng)(2)所需電子來(lái)自于負(fù)極的放電反應(yīng)(1)中金屬鋰溶解進(jìn)入有機(jī)電解液時(shí)放出的電子，并且通過(guò)電池的外部電路到達(dá)正極的堿性水溶液中，供應(yīng)給正極的放電反應(yīng)使用，與此同時(shí)，負(fù)極的放電反應(yīng)(1)電化學(xué)反應(yīng)生成物L(fēng)i+通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜104進(jìn)入正極的堿性水溶液中，使得正極的放電反應(yīng)(2)中產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)生成物的負(fù)電性得到中和，保持了正極的堿性水溶液的電中性，換言之，負(fù)極的放電反應(yīng)(1)的電化學(xué)反應(yīng)生成物L(fēng)i+通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜104進(jìn)入正極的堿性水溶液后，沒(méi)有生成/析出Li20等固體物質(zhì)堵塞正極的反應(yīng)通道(如多孔碳中的碳微孔、用于導(dǎo)入氧的通道109等)，而是以水溶性產(chǎn)物L(fēng)iOH存在于正極的堿性水溶液中，使正極的反應(yīng)通道暢通無(wú)阻，從而電池的電化學(xué)反應(yīng)可以持續(xù)不斷地進(jìn)行；結(jié)合(1)、(2)，放電反應(yīng)的總反應(yīng)式可如下式(3)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)當(dāng)放電完成之后，高能安全可充式鋰氧電池可進(jìn)行下述的充電過(guò)程；(二)下面參照?qǐng)D4對(duì)高能安全可充式鋰氧電池的充電過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，圖4示出了高能安全可充式鋰氧電池充電時(shí)的結(jié)構(gòu)，圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池在室溫下進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)取得的充放電曲線(xiàn)圖(其中虛線(xiàn)表示充電曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)表示放電曲線(xiàn))，充電電流為O.05mA/cm2，其中包括提供外部電能的充電機(jī)401:第一種充電方式，可以通過(guò)電力方式充電，將堿性水溶液中鋰離子以外部電能為動(dòng)力從溶液中分離出來(lái)，通過(guò)固體電解質(zhì)隔膜104進(jìn)入負(fù)極的有機(jī)電解液中，然后在負(fù)極集流體IOI表面再結(jié)晶，形成新的負(fù)極，充電反應(yīng)可以如下式(4)所示Li++e——Li(4)上述充電反應(yīng)所需的電子由充電機(jī)301提供，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)到達(dá)負(fù)極集流體IOI，鋰離子在負(fù)極獲得電子后被還原成金屬鋰；而充電時(shí)的正極的充電反應(yīng)可以如下式(5)所示40H——02+2H20+4e—(5)上述正極的充電反應(yīng)(5)中產(chǎn)生的氧，可以氧氣的形式通過(guò)正極的多孔碳的碳微孔、通道109等排放到大氣中；正極的充電反應(yīng)(5)中產(chǎn)生的電子通過(guò)在電池的正極中設(shè)有的獨(dú)立的充電電極110輸送到充電機(jī)401中，再由充電401輸送到負(fù)極，負(fù)極的有機(jī)電解液中的鋰離子Li+在負(fù)極表面獲得電子后被還原成金屬鋰，如上式(4)所示；結(jié)合(4)、(5)，充電反應(yīng)的總反應(yīng)式可如下式(6)所示4Li++40H——4Li+02+2H20+4e—(6)第二種充電方式，可以使用機(jī)械方式，鋰可以采用可更換式結(jié)構(gòu)設(shè)置在高能安全可充式鋰氧電池中，可更換式結(jié)構(gòu)可以是卡盒方式，即將使用后空的負(fù)極的金屬鋰卡盒拔出，插入新的金屬鋰卡盒，完成此操作之后，電池充滿(mǎn)新的燃料，可以繼續(xù)放電使用。詳細(xì)描述以下優(yōu)選實(shí)施例，將會(huì)更好地了解本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池的優(yōu)越性。本發(fā)明的高能安全可充式鋰氧電池的優(yōu)選實(shí)施例，包括負(fù)極集流體101采用鎳網(wǎng)；固態(tài)的鋰102采用純鋰片；負(fù)極電解液103采用有機(jī)電解液，其電解質(zhì)鹽為六氟磷酸鋰(LiPF6)，其有機(jī)溶劑采用碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)和碳酸二甲酯(DMC)的三元有機(jī)溶劑，且電解質(zhì)鹽在有機(jī)溶劑中的濃度為l.2克分子/升，有機(jī)溶劑中各組分的體積比例為l:1:1;固體電解質(zhì)隔膜104采用無(wú)機(jī)類(lèi)的復(fù)合固體電解質(zhì)隔膜，其內(nèi)核材料選用含無(wú)定形硅氧化物晶界層的Liv8L站/8口^4Ti03，顆粒度約為1030ym;外包覆層材料選用Lii.sTii.sAlo.5(P04)3，厚度為l5ym;由此復(fù)合固體電解質(zhì)粉末，經(jīng)過(guò)壓制而成的復(fù)合固體電解質(zhì)隔膜的厚度為130價(jià)，鋰離子電導(dǎo)率為10—4S/cm，電化學(xué)窗大于5V;正極電解液105采用堿性水溶液，氫氧化鋰(LiOH)水溶液，其初始濃度為O.02克分子/升，隨著電池的放電反應(yīng)進(jìn)程，堿性水溶液中的氫氧化鋰濃度逐步升高，最高可達(dá)5.8克分子/升；充電電極110采用不銹鋼網(wǎng)；正極集流體108采用泡沫鎳；多孔碳106采用活性碳；催化劑107采用負(fù)載20wt。/。的四氧化三錳；相應(yīng)地，導(dǎo)電劑為乙炔黑，粘結(jié)劑是聚四氟乙烯(PTFE)，詳細(xì)配方是導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、活性碳的比例為5:12:88，按照此比例制成漿料，涂覆然后滾壓在正極集流體108表面，烘烤干燥后制成正極；電池的初始開(kāi)路電壓為3.2V，接通外部放電負(fù)載201之后，電壓瞬間下降，在鋰表面的氧化層溶解過(guò)程中，放電電流上下波動(dòng)，電壓反彈，然后電流逐步穩(wěn)定在O.lmA/cm2，平均電壓為2.6V，放電到1V時(shí)結(jié)束，總放電容量為8.l安時(shí)；仍然使用上述本發(fā)明的電池的優(yōu)選實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池，在其放電結(jié)束之后，使用充電電極IIO，在0.05mA/cm2充電電流下用恒流電源對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，總充電容量為9.3安時(shí)，充電結(jié)束之后，休停一小時(shí)，然后轉(zhuǎn)入恒流負(fù)載放電，恒流電流為0.lmA/cm2，放電到1V時(shí)結(jié)束，總放電容量為7.9安時(shí)。以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求權(quán)利要求1一種高能安全可充式鋰氧電池，包括正極和負(fù)極，其特征在于，所述負(fù)極的反應(yīng)物采用金屬鋰；所述正極的反應(yīng)物采用氧和水；所述正極和負(fù)極之間設(shè)有固體電解質(zhì)隔膜；所述正極中設(shè)有充電電極。2.如權(quán)利要求l所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，從所述負(fù)極向所述正極方向依次設(shè)有負(fù)極集流體、所述金屬鋰、負(fù)極電解液、所述固體電解質(zhì)隔膜、提供所述水的正極電解液、多孔碳、正極集流體，所述正極集流體上設(shè)有用于導(dǎo)入所述氧的通道。3.如權(quán)利要求2所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述多孔碳上設(shè)有催化劑，所述催化劑為貴金屬或貴金屬合金，或者，所述催化劑為過(guò)渡金屬氧化物和/或稀土金屬氧化物。4.如權(quán)利要求2所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述固體電解質(zhì)膜為基于三氟甲基磺酰甲基、磺酸鹽、氟烷基硫酸鹽或酰亞胺陰離子的單離子交聯(lián)梳狀支鏈高分子電解質(zhì)，或者，所述固體電解質(zhì)膜為包括內(nèi)核及外包覆層的復(fù)合固體電解質(zhì)膜，所述內(nèi)核采用硫酸鋰、硅酸鋰、磷酸鋰、A位缺陷的鈣鈦礦固溶體、硫化鋰、鍺化鋰和/或硫化磷，所述外包覆層采用參雜磷酸鈦鋰。5.如權(quán)利要求2所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述負(fù)極電解液為包括電解質(zhì)鹽、有機(jī)溶劑的有機(jī)電解液，所述電解質(zhì)鹽為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰和/或二草酸合硼酸鋰，所述有機(jī)溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙脂和/或碳酸二乙脂，所述電解質(zhì)鹽在所述有機(jī)溶劑中的濃度取值范圍為O.8克/升至1.5克/升。6.如權(quán)利要求2所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述正極電解液為堿性水溶液。7.如權(quán)利要求2所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述負(fù)極集流體采用鎳箔、銅箔、不銹鋼箔或者其合金箔材，或者，所述負(fù)極集流體采用鎳、銅、不銹鋼或者其合金網(wǎng)材，或者，所述負(fù)極集流體采用鍍鎳鋼網(wǎng)或穿孔鎳帶；所述正極集流體采用鎳、泡沫鎳、鋁、不銹鋼或者其合金網(wǎng)材，或者，所述正極集流體采用鍍鎳鋼網(wǎng)或穿孔鎳帶；所述多孔碳采用活性碳、介孔碳、石墨、乙炔黑、中間相微球或碳納米管。8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的高能安全可充式鋰氧電池，其特征在于，所述金屬鋰采用可更換式結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述高能安全可充式鋰氧電池中。全文摘要本發(fā)明實(shí)施例涉及一種高能安全可充式鋰氧電池，包括正極和負(fù)極，所述負(fù)極的反應(yīng)物采用金屬鋰，所述正極的反應(yīng)物采用氧和水，所述正極和負(fù)極之間設(shè)有固體電解質(zhì)隔膜；所述正極中設(shè)有充電電極。實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的高能安全可充式鋰氧電池，可解決傳統(tǒng)鋰離子動(dòng)力電池能量密度低、安全性和可靠性差、循環(huán)壽命低和高成本的問(wèn)題，也能解決氫燃料電池儲(chǔ)存和運(yùn)輸復(fù)雜、隔膜和催化劑成本高、費(fèi)用高的問(wèn)題，是一種高能、安全、可充電的鋰氧電池，可廣泛應(yīng)用于各種大容量高功率移動(dòng)設(shè)備和機(jī)械裝置，例如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)游艇、電動(dòng)飛行器、衛(wèi)星通訊機(jī)、火箭發(fā)射器和潛艇用通訊電源等。文檔編號(hào)H01M12/08GK101533935SQ20091030154公開(kāi)日2009年9月16日申請(qǐng)日期2009年4月14日優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日發(fā)明者黃穗陽(yáng)申請(qǐng)人:黃穗陽(yáng)