一种金属‑氧气二次电池制造技术

本发明专利技术提供了一种金属‑氧气二次电池，包括正极、负极和电解液；所述负极包括锂钠合金。本发明专利技术采用非常规合金‑锂钠合金，作为金属‑氧气二次电池的负极，利用氧气，放电时，反应生成过氧化锂和过氧化钠附着在正极上，将化学能转化为电能；充电时，正极上的过氧化锂和过氧化钠分解，释放氧气，实现氧气的循环利用。本发明专利技术填补了非常规概念上的金属合金用于空气电池技术领域的空白，扩展了空气电池的研究领域，简洁高效，解决了支晶效应，减少因反复循环而产生的裂纹，具有高稳定性，原子利用率高，符合绿色化学的要求，有利于氧气的存储、循环，以及大规模可再生能源的循环存储与利用。

【技术实现步骤摘要】
一种金属-氧气二次电池
本专利技术涉及金属-空气二次电池
，涉及一种金属-氧气二次电池，尤其涉及一种基于锂钠合金负极的金属-氧气二次电池。
技术介绍
空气电池是化学电池的一种，构造原理与干电池相似，所不同的只是它的正极活性物质取自空气中的氧或纯氧，也称为氧气电池，按负极材料通常分为锂-空气电池，锌-空气电池、铝-空气电池以及镁-空气电池等。锌-空气电池就是以锌为负极，以氢氧化钠或氢氧化钾为电解液，而正极则是多孔的活性炭，因此正极能吸附空气中的氧气用以代替一般干电池中的氧化剂。锌-空气电池便于携带，可以通过更换电极反复使用，具有较好的安全性。同时，锂-空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。理论上来说，氧气作为正极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，可以提供与汽油同等的能量，而且锂-空气电池从空气中吸收氧气放电，因此这种电池可以更小、更轻。铝空气电池，结构以及使用的原材料可根据不同环境和要求而变动，具有很大的适应性，既能用于陆地也能用于深海，既可做动力电池，又能作长寿命高比能的信号电池，有很广阔的应用前景，铝空气电池的进展十分迅速，在电动汽车上的应用已取得良好效果，具有比能量大、质量轻、无毒和安全等特点。镁-空气电池，能量密度高、理论电压高、清洁安全，镁储量丰富，但镁的化学活性较高，在电解质溶液中溶解速度快，产生大量氢气导致负极利用率低，由于有害杂质存在，易发生微观原电池腐蚀反应，因而自腐蚀速率大，以及电压滞后等等。为防止自腐蚀，通常都利用常规的合金材料的概念，采用镁合金的形式，如AZ31等等。但是无论哪种金属-空气电池，大多都是理论上的优势，要能够拓展到应用领域，还需要诸多方面的研究，而为了满足日益增长的对能源存储的需求，具有超高理论能量密度的金属-空气电池的应用性能研究一直都受到广泛的关注。如锂-氧气电池虽然被成功研制，但在使用过程中，其产物过氧化锂的无序生长严重的阻碍反应的有效发生，反应过程中还会伴随电解液的分解，并且在反复的充放电过程中引起体积膨胀导致裂纹和支晶生长方向的不可控制，同时金属与电解液表面形成新的固态电解质界面膜，降低了库伦效率，增加了电池阻抗，导致电池的短路，引起一系列的安全问题，严重的阻碍了大规模的产业化利用。因此，如何对金属-空气电池进行改进，解决其在实际使用中存在的问题，使其具有更高的实用性，已成为领域内众多前沿科研人员广为关注的焦点之一
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种金属-空气二次电池及其制备方法，特别是一种基于锂钠合金负极的金属-氧气二次电池。本专利技术采用了非常规合金的锂钠合金作为电池的负极，填补了非常规合金-氧气二次电池
的空白，解决了支晶效应，减少因反复循环而产生的裂纹，具有高稳定性以及高原子利用率。本专利技术提供了一种金属-氧气二次电池，包括正极、负极和电解液；所述负极包括锂钠合金。优选的，所述锂钠合金中，锂和钠的质量比为(0.6～13)：1。优选的，所述锂钠合金中，锂和钠的质量比为(5～7)：1；所述锂钠合金由金属锂和钠熔融混合，再快冷后得到。优选的，所述正极包括集流体；所述集流体包括导电碳材料。优选的，所述导电碳材料包括乙炔黑、炭黑、科琴黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、无定形碳、碳气凝胶和纳米多孔碳中的一种或几种；所述导电碳材料的形状包括圆形和/或正方形；所述集流体还包括不锈钢网和/或泡沫镍。优选的，所述正极还包括催化剂、导电填料和粘结剂中的一种或多种。优选的，所述催化剂包括碳材料、CoNi2O4、RuO2、Co3O4、CoN和贵金属Ru中的一种或多种。优选的，所述导电填料包括乙炔黑、炭黑、科琴黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、无定形碳、碳气凝胶和纳米多孔碳中的一种或几种；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、丁苯乳胶、聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素中的一种或多种。优选的，所述金属-氧气二次电池还包括隔膜；所述电解液为醚类、酯类和碳酸酯类中的一种或多种，与钠离子组成的溶液；所述隔膜包括玻璃纤维膜、PP膜、PTFE膜、PE膜和聚丙烯膜中的一种或多种。优选的，所述电解液包括三氟甲磺酸钠/四乙二醇二甲醚、三氟甲磺酸钠/1,3-二氧环戊烷、高氯酸钠/碳酸丙烯脂、六氟磷酸钠/二乙二醇二甲醚、六氟硼酸钠/碳酸甲丁脂和高氯酸钠/碳酸乙烯脂中的一种或多种。本专利技术提供了一种金属-氧气二次电池，包括正极、负极和电解液；所述负极包括锂钠合金。与现有技术相比，本专利技术针对现有的锂-空气电池在反复的充放电过程中引起体积膨胀导致裂纹和支晶问题。本专利技术创造性的采用了非常规合金-锂钠合金，作为金属-氧气二次电池的负极，利用氧气，放电时，反应生成过氧化锂和过氧化钠附着在正极上，将化学能转化为电能；充电时，正极上的过氧化锂和过氧化钠分解，释放氧气，实现氧气的循环利用。本专利技术填补了非常规概念上的金属合金用于空气电池
的空白，扩展了空气电池的研究领域，简洁高效，解决了支晶效应，减少因反复循环而产生的裂纹，具有高稳定性，原子利用率高，符合绿色化学的要求，有利于氧气的存储、循环，以及大规模可再生能源的循环存储与利用。实验结果表明，锂钠合金负极在充、放电循环数圈后，化学反应电位趋于稳定，循环寿命可达到100圈，电压范围保持在1.6至5.0伏之间。不同于纯金属锂和纯金属钠在循环过程中出现支晶效应和裂纹，锂钠合金在循环过程中表面没有明显变化。附图说明图1为本专利技术提供的基于锂钠合金负极的金属-氧气二次电池的分解结构工作流程示意图；图2为本专利技术实施例1～3制备的锂钠合金负极的X射线衍射图谱；图3为本专利技术实施例1制备的锂钠合金负极的扫描电镜元素分析分布示意图；图4为本专利技术实施例1制备的锂钠合金-氧气二次电池负极与单独锂离子电池，钠离子电池的循环伏安曲线对比图；图5为本专利技术实施例1制备的锂钠合金-氧气二次电池的充放电循环稳定性示意图；图6为本专利技术实施例1制备的电池碳正极充放电前后的电子扫描对比图；图7为本专利技术实施例1制备的锂钠合金-氧气二次电池碳正极充放电前后的X射线衍射谱图；图8为本专利技术实施例1制备的电池负极充放电循环30圈后的电子扫描图；图9为本专利技术实施例2制备的锂钠合金负极的电子扫描图片；图10为本专利技术实施例2制备的锂钠合金-氧气二次电池的充放电循环稳定性曲线图；图11为本专利技术实施例2制备的电池碳正极充放电前后的电子扫描对比图；图12为本专利技术实施例2制备的电池负极充放电循环30圈后的电子扫描图；图13为本专利技术实施例3制备的锂钠合金负极的扫描电镜图；图14为本专利技术实施例3制备的锂钠合金-氧气二次电池的充放电循环稳定性曲线图；图15为本专利技术实施例3制备的电池正极充放电前后的电子扫描对比图；图16为本专利技术实施例3制备的电池负极充放电循环30圈后的电子扫描图；图17为本专利技术比较例1制备的电池负极充放电循环10圈后的电子扫描图；图18为本专利技术比较例2制备的电池负极充放电循环10圈后的电子扫描图；图19为本专利技术比较例3制备的电池负极充放电循环10圈后的电子扫描图。具体实施方式为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的限制。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属‑氧气二次电池，其特征在于，包括正极、负极和电解液；所述负极包括锂钠合金。

【技术特征摘要】
1.一种金属-氧气二次电池，其特征在于，包括正极、负极和电解液；所述负极包括锂钠合金。2.根据权利要求1所述的金属-氧气二次电池，其特征在于，所述锂钠合金中，锂和钠的质量比为(0.6～13)：1。3.根据权利要求1所述的金属-氧气二次电池，其特征在于，所述锂钠合金中，锂和钠的质量比为(5～7)：1；所述锂钠合金由金属锂和钠熔融混合，再快冷后得到。4.根据权利要求1所述的金属-氧气二次电池，其特征在于，所述正极包括集流体；所述集流体包括导电碳材料。5.根据权利要求4所述的金属-氧气二次电池，其特征在于，所述导电碳材料包括乙炔黑、炭黑、科琴黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、无定形碳、碳气凝胶和纳米多孔碳中的一种或几种；所述导电碳材料的形状包括圆形和/或正方形；所述集流体还包括不锈钢网和/或泡沫镍。6.根据权利要求4所述的金属-氧气二次电池，其特征在于，所述正极还包括催化剂、导电填料和粘结剂中的一种或多种。7.根据权利要求6所述的金属-氧气二次电池，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新波，马金玲，鲍迪，徐吉静，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22