一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以柔性基板為底層，自下而上分別加工圖案化的導(dǎo)電涂層、金屬鋰負極、絕緣隔層、空氣電極和阻水透氣膜。所述的鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)具有柔性可彎曲的結(jié)構(gòu)特點，提高電池組件的適用性和安全性；實現(xiàn)單基板上制備正負極材料，降低電池系統(tǒng)質(zhì)量，提高能量密度；通過導(dǎo)電涂層圖案化參數(shù)的變化，實現(xiàn)串聯(lián)組件輸出電流和電壓的調(diào)控。
【專利說明】_種裡_空氣電池結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于化學(xué)電源領(lǐng)域，具體涉及一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)和技術(shù)的進步推動著制造業(yè)的不斷升級，能源的供給、使用和存儲作為基礎(chǔ)支撐著整個產(chǎn)業(yè)升級?；茉慈找婵萁?，生態(tài)污染不斷加重，全球氣候不斷變暖，如何潔凈地使用能源成為人類社會無法回避的關(guān)鍵課題。電池替代傳統(tǒng)的化石燃料驅(qū)動機動車等動力設(shè)備成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的熱點。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，鋰離子電池的容量密度已經(jīng)逐漸接近其理論極限，然而其作為動力電池驅(qū)動電動車行駛的里程普遍小于100英里，無法滿足實際的需求。鋰-空氣電池負極采用最高電化學(xué)容量的金屬鋰(2860mAh/g)，正極的活性反應(yīng)物來源于外界空氣，因而鋰-空氣電池的理論能量密度可以達到11680Wh/kg，將其作為動力電池一次充電驅(qū)動電動車可以達到300英里以上，達到了化石燃料的水平。隨著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)研宄和投入，鋰-空氣電池被廣泛認為是鋰離子電池的理想替代者用來驅(qū)動動力汽車?？紤]到材料成本和使用安全，有機電解質(zhì)體系的鋰-空氣電池成為研宄主體。經(jīng)過大量的研宄積累，正/負極材料和電解液得到廣泛的開發(fā)，電池充放電機制和各部分之間的協(xié)同效應(yīng)得到了深入的研宄。然而，針對鋰-空氣電池的性能研宄普遍采用簡單的片層堆疊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的外部金屬裝置，測試的容量和循環(huán)性能僅針對材料的特性，無法反映電池的整體性能。美國西北太平洋國家實驗室的JiguangZhang及其合作者，通過將“空氣電極-鋰帶-空氣電極”結(jié)合其他電池元件通過層壓封裝于外部保護材料中，制成典型的“三明治結(jié)構(gòu)”的軟包裝鋰-空氣電池，進而評測電池的性能。盡管這種“三明治結(jié)構(gòu)”可以用來評測電池的整體性能，考慮到這種簡單堆疊結(jié)構(gòu)層數(shù)進一步提高后，無法解決內(nèi)部空氣電極對氣體擴散的要求和金屬鋰負極對空氣的敏感性，限制能量密度和安全性能。因而，如何進一步提高電池的能量密度、實現(xiàn)電池的柔性可彎曲和調(diào)節(jié)輸出電流與電壓成為鋰-空氣實際應(yīng)用的關(guān)鍵。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是提供一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，提高電池的能量密度、實現(xiàn)電池的柔性可彎曲和調(diào)節(jié)輸出電流與電壓。
[0004]一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，包括柔性基板、金屬鋰負極、空氣電極，
[0005]于柔性基板的上表面從左至右依次順序設(shè)置有2個以上的條狀導(dǎo)電涂層，相鄰導(dǎo)電涂層間留有間隙；于每一個導(dǎo)電涂層上均設(shè)置有絕緣隔層，絕緣隔層的下表面設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)放置有金屬鋰負極，金屬鋰負極與導(dǎo)電涂層上表面相接觸；
[0006]絕緣隔層的下表面右側(cè)邊緣向下延伸至相鄰導(dǎo)電涂層的間隙內(nèi)，使相鄰導(dǎo)電涂層間通過絕緣隔層相間隔；絕緣隔層的下表面左側(cè)邊緣與導(dǎo)電涂層上表面相接觸；
[0007]于絕緣隔層上表面設(shè)有空氣電極，空氣電極右側(cè)邊緣向下延伸至與空氣電極所在條狀導(dǎo)電涂層相鄰的、且處于它們右側(cè)的導(dǎo)電涂層上，并與它們右側(cè)的導(dǎo)電涂層相接觸；
[0008]于空氣電極上表面設(shè)有阻水透氣膜，阻水透氣膜的右側(cè)和左側(cè)邊緣分別向下延伸并與導(dǎo)電涂層上表面相接觸；空氣電極處于絕緣隔層和阻水透氣膜之間，于絕緣隔層和阻水透氣膜間設(shè)有條狀阻水透氣膜，條狀阻水透氣膜將空氣電極從左至右依次順序分隔成2個以上單元。
[0009]于空氣電極和絕緣隔層中浸潤有電解液。
[0010]于每個空氣電極單元所在的阻水透氣膜上均分別開設(shè)有注液孔，注液孔采用密封膠封堵密封。
[0011]所述柔性基板為一平板，金屬鋰負極為長條狀結(jié)構(gòu)。
[0012]所述柔性基板一般為對有機溶劑具有良好穩(wěn)定性的絕緣材料，可以是單組份材料(如:聚萘二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯等高分子材料)或復(fù)合材料(如:聚對苯二甲酸乙二醇酯-鍍鋁/聚乙烯/增強層/聚乙烯等金屬-聚合物復(fù)合材料，表面陽極氧化的鋁金屬薄膜進行絕緣化處理的表面鈍化金屬薄膜)；
[0013]所述導(dǎo)電涂層包括結(jié)合掩膜技術(shù)直接生成和結(jié)合刻蝕技術(shù)間接生成的圖案化的導(dǎo)電涂層；
[0014]所述結(jié)合掩膜技術(shù)直接生成圖案化的導(dǎo)電層包括:通過掩膜板遮蓋部分柔性基底，針對未遮蓋的部分柔性基底進行印刷、刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成圖案化的導(dǎo)電涂層；通過將柔性基底涂覆光刻膠，進行光刻-曝光-顯影-刻蝕方法形成掩膜遮蓋部分柔性基底，針對未遮蓋的部分柔性基底進行印刷、刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成圖案化的導(dǎo)電涂層，再選擇性除去光刻膠。
[0015]所述結(jié)合刻蝕技術(shù)間接生成圖案化的導(dǎo)電涂層包括:對柔性基底進行刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成導(dǎo)電涂層，通過掩膜板或者光刻膠掩膜(涂覆-光刻-曝光-顯影-刻蝕)遮蓋部分導(dǎo)電涂層，通過刻蝕技術(shù)(光刻蝕、X射線刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕、陽極氧化等)除去未遮蓋的導(dǎo)電涂層實現(xiàn)圖案化；對柔性基底進行刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成導(dǎo)電涂層，通過刻蝕技術(shù)(X射線刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕、激光刻蝕等)除去部分導(dǎo)電涂層實現(xiàn)圖案化。
[0016]所述導(dǎo)電涂層可以是通過印刷、刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成的導(dǎo)電聚合物(如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩等)、金屬(如銅、鎳、鋁、銀等)、無機化合物(如摻銦氧化錫、摻氟氧化錫等)等。
[0017]所述絕緣隔層可以通過印刷、刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成的絕緣聚合物(如環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯、有機硅樹脂、聚酰亞胺醇酸樹脂等)和絕緣無機化合物(如氧化鋯、氧化硅等)。
[0018]所述空氣電極可以是通過印刷、刮涂、噴涂、真空濺射、化學(xué)沉積等方法生成的碳基材料(如石墨烯、碳納米管、商業(yè)碳粉等)、無機化合物(如錳氧化合物、鈷氧化合物、釕氧化合物、氮化鈦、碳化鈦等)、金屬(如金、銀、鉑等)。
[0019]所述阻水透氣膜可以是高分子材料(如聚萘二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚偏氟乙烯等)，無機材料(如Li135T175Altl 25P2 7Sitl 3O12)，無機-聚合物復(fù)合材料(如泡沫鎳復(fù)合聚二甲基硅氧烷等)。
[0020]所述注液孔為阻水透氣膜表面預(yù)留的孔道，電解液通過真空負壓回填技術(shù)浸入整個電池內(nèi)部。[0021 ] 所述電解液為三氟甲基磺酰亞胺鋰、三氟甲基磺酰鋰、高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等電解質(zhì)鹽和四乙二醇二甲醚、二甲基亞砜、丙烯酯等電解質(zhì)溶劑組成。
[0022]所述密封膠為紫外線固化膠。
[0023]本實用新型的有益效果:
[0024]本實用新型鋰-空氣電池沒有傳統(tǒng)鋰-離子電池、鋰-硫電池和燃料電池將正極-隔膜-負極作為單元在豎直方向上不斷堆疊構(gòu)成疊片電池，解決了空氣電極對氣體擴散的要求和金屬鋰負極對反應(yīng)氣的敏感性的問題，實現(xiàn)鋰-空氣電池的可彎曲性和耐壓性；不同單元之間的正極和負極通過導(dǎo)電涂層連接，實現(xiàn)電池整體單一基板和單一集流體的特點，提高電池的能量密度；控制導(dǎo)電涂層的圖案化參數(shù)，實現(xiàn)不同尺寸單元的串聯(lián)連接和調(diào)節(jié)輸出電流與電壓。總之，本發(fā)明的鋰-空氣電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)靈活，電池整體柔性可彎曲，提高能量密度的同時可調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為可彎曲單基板鋰-空氣電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:其I為柔性基板，2為金屬鋰，3為空氣電極，4為導(dǎo)電涂層，5為絕緣隔層，6為阻水透氣膜，7為注液孔，8為密封膠。

【具體實施方式】
:
[0026]下面的實施例可以針對專業(yè)技術(shù)人員更加全面理解本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)，但并不針對結(jié)構(gòu)進行任何方式的限定。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，柔性基板為厚度200微米的聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜，導(dǎo)電涂層為磁控濺射法制備厚度50納米的摻氟氧化錫薄膜并通過激光刻蝕表面形成圖案，金屬鋰為通過層壓機壓合于摻氟氧化錫表面的鋰電池常用鋰帶，絕緣隔層為結(jié)合掩膜板磁控濺射法制備的厚度2-5微米氧化鋯多孔薄膜，空氣電極為以商業(yè)化碳材料KB600和聚四氟乙烯分別作為活性材料和粘結(jié)劑輥壓法制備的空氣電極，阻水透氣膜為通過沙林樹脂熱壓粘結(jié)于摻氟氧化錫的10微米聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。電池封裝完畢后，通過聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面預(yù)留的直徑I毫米的圓形孔道，利用真空負壓方法將三氟甲基磺酰亞胺鋰的四乙二醇二甲醚電解液浸潤整個電池內(nèi)部腔體。注液完畢后，注液孔由紫外光固化膠在紫外光條件下固化封堵。
[0029]實施例2
[0030]如圖1所示，柔性基板為厚度500微米聚對苯二甲酸乙二醇酯-鍍鋁/聚乙烯/增強層/聚乙烯的金屬-聚合物復(fù)合薄膜，導(dǎo)電涂層為結(jié)合掩膜板真空熱沉積制備的厚度20納米鋁金屬薄膜，金屬鋰為通過層壓機壓合于金屬鋁表面的鋰電池常用鋰帶，絕緣隔層為結(jié)合掩膜板磁控濺射法制備的厚度2-5微米氧化硅多孔薄膜，空氣電極為以水熱合成法制備的氧化亞鈷納米線和聚偏氟乙烯分別作為活性材料和粘結(jié)劑輥壓法制備的空氣電極，阻水透氣膜為通過紫外光固化膠粘結(jié)于鋁金屬薄膜表面的10微米聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。電池封裝完畢后，通過聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜表面預(yù)留的直徑I毫米的圓形孔道，利用真空負壓方法將三氟甲基磺酰鋰的四乙二醇二甲醚電解液浸潤整個電池內(nèi)部腔體。注液完畢后，注液孔由紫外光固化膠在紫外光條件下固化封堵。
[0031]實施例3
[0032]如圖1所示，柔性基板為表面氧化生成氧化鈦鈍化層的金屬鈦板，導(dǎo)電涂層為在光刻膠掩膜的表面氧化處理鈦板上真空熱沉積金屬鋁后再刻蝕光刻膠形成的圖案化的厚度20納米鋁金屬薄膜，金屬鋰為通過層壓機壓合于金屬鋁表面的鋰電池常用鋰帶，絕緣隔層為結(jié)合掩膜板真空蒸鍍的聚丙烯薄膜，空氣電極為表面原位擔(dān)載氧化亞鈷粒子的石墨烯和聚四氟乙烯分別作為活性材料和粘結(jié)劑輥壓法制備的空氣電極，阻水透氣膜為熱灌注的聚二甲基硅氧烷薄膜。電池封裝完畢后，通過聚二甲基硅氧烷薄膜表面預(yù)留的直徑I毫米的圓形孔道，利用真空負壓方法將高氯酸鋰的二甲基亞砜電解液浸潤整個電池內(nèi)部腔體。注液完畢后，注液孔由紫外光固化膠在紫外光條件下固化封堵。
[0033]實施例4
[0034]如圖1所示，柔性基板為厚度200微米的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，利用聚酰亞胺膠帶對部分聚對苯二甲酸乙二醇酯基底進行絕緣保護，導(dǎo)電涂層為電化學(xué)沉積法制備厚度I微米的金屬鎳薄膜并在沉積完成后去除聚酰亞胺膠帶形成圖案，金屬鋰為通過層壓機壓合于金屬鎳薄膜表面的鋰電池常用鋰帶，絕緣隔層為結(jié)合掩膜板磁控濺射法制備的厚度2-5微米氧化硅多孔薄膜，空氣電極為以單質(zhì)金屬鈷摻雜的石墨化碳材料和聚四氟乙烯分別作為活性材料和粘結(jié)劑輥壓法制備的空氣電極，阻水透氣膜為通過沙林樹脂熱壓粘結(jié)于金屬鎳薄膜的10微米聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。電池封裝完畢后，通過聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜表面預(yù)留的直徑I毫米的圓形孔道，利用真空負壓方法將高氯酸鋰的N-甲基吡咯烷酮電解液浸潤整個電池內(nèi)部腔體。注液完畢后，注液孔由紫外光固化膠在紫外光條件下固化封堵。
【權(quán)利要求】
1.一種鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，包括柔性基板、金屬鋰負極、空氣電極，其特征在于: 于柔性基板的上表面從左至右依次順序設(shè)置有2個以上的條狀導(dǎo)電涂層，相鄰導(dǎo)電涂層間留有間隙；于每一個導(dǎo)電涂層上均設(shè)置有絕緣隔層，絕緣隔層的下表面設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)放置有金屬鋰負極，金屬鋰負極與導(dǎo)電涂層上表面相接觸； 絕緣隔層的下表面右側(cè)邊緣向下延伸至相鄰導(dǎo)電涂層的間隙內(nèi)，使相鄰導(dǎo)電涂層間通過絕緣隔層相間隔；絕緣隔層的下表面左側(cè)邊緣與導(dǎo)電涂層上表面相接觸； 于絕緣隔層上表面設(shè)有空氣電極，空氣電極右側(cè)邊緣向下延伸至與空氣電極所在條狀導(dǎo)電涂層相鄰的、且處于它們右側(cè)的導(dǎo)電涂層上，并與它們右側(cè)的導(dǎo)電涂層相接觸； 于空氣電極上表面設(shè)有阻水透氣膜，阻水透氣膜的右側(cè)和左側(cè)邊緣分別向下延伸并與導(dǎo)電涂層上表面相接觸；空氣電極處于絕緣隔層和阻水透氣膜之間，于絕緣隔層和阻水透氣膜間設(shè)有條狀阻水透氣膜，條狀阻水透氣膜將空氣電極從左至右依次順序分隔成2個以上單元。
2.按照權(quán)利要求1所述的鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，其特征在于:于空氣電極和絕緣隔層中浸潤有電解液。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，其特征在于: 于每個空氣電極單元所在的阻水透氣膜上均分別開設(shè)有注液孔，注液孔采用密封膠封堵密封。
4.按照權(quán)利要求1所述的鋰-空氣電池結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述柔性基板為一平板，金屬鋰負極為長條狀結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01M12/06GK204156060SQ201420549512
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】吳寶山, 張華民, 張益寧, 王倩 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所