一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法技术

一种以过氧化氢为添加剂的锂‑氧气电池电解液的制备方法，属于锂空气电池领域。包括以下步骤：（1）将锂盐真空干燥后与有机溶剂混合并搅拌至形成均一溶液；（2）将过氧化氢水溶液或纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液混合均匀得到含有过氧化氢的锂‑氧气电池电解液。本发明专利技术所述电解液可以在正极不使用贵金属催化剂的条件下将锂氧气电池的充电过电压降低至0.5 V左右，并使电池可以在充放电固定比容量的条件下循环50圈以上，显著地提高了电池的能量效率和循环寿命。通过添加过氧化脲的方式来引入过氧化氢，克服了采用过氧化氢水溶液来向电解液中添加过氧化氢会让引入水分影响电池寿命的这一技术难点，具有制备方法操作简单、成本低廉的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法
本专利技术属于锂空气电池领域，具体涉及一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法。
技术介绍
锂-氧气电池由锂金属负极、隔膜、电解液和氧气正极（一般为碳材料）组成，理论能量密度可达3500Wh/Kg，能够极大地满足大型能量存储设备和电动汽车市场的需求。但是锂-氧气电池充电过程中不能完全分解放电产物过氧化锂，从而使得充电过电压升高，引起诸如电解液分解，电池库伦效率降低，电池循环寿命短等问题。采用高效催化剂催化过氧化锂的分解是有效降低锂-氧气电池充电电压的方法。近年来有很多研究者成功制备了负载贵金属/金属氧化物催化剂的碳材料正极，将锂-氧气电池的充电电压降低到3.5V，但是始终无法突破3.5V这个极限。最近有研究者发现通过SuperP负载MnO2和Ru正极，并在DMSO电解液中添加100p.p.m.的水，可以使放电产物转化为LiOH，并且使充电电压降低到3.2V[Li,F.etal.Thewatercatalysisatoxygencathodesoflithium-oxygencells.Nat.Commun.6,7843(2015)]。但是由于正极负载了一定质量的催化剂，该电池依然存在催化剂催化电解液分解和能量密度低的缺点。而对于使用不负载催化剂的碳材料作为正极的锂-氧气电池，虽然能量密度较高，但是充电电压高达4.2V，大大降低了电池的库伦效率。本专利技术制备出的添加过氧化氢锂-氧气电池电解液并将其用于锂-氧气电池中，正极可使用不负载催化剂的纯碳材料，不仅大大降低了电池充电电压，提高了电池的库伦效率和循环寿命，同时也提高了电池的能量密度。
技术实现思路
解决的技术问题：针对上述现有技术中存在负载催化剂的正极碳材料中存在催化剂电解液分解和能量密度低，不负载催化剂的碳材料作为正极的锂-氧气电池，虽然能量密度较高，但是充电电压高达4.2V，大大降低了电池的库伦效率等问题，本专利技术提供一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法，可用于锂空气电池中，具有简单高效，电化学性能优异、提高电池的库伦效率、循环寿命和能量密度等特点。技术方案：一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）将锂盐在60~90℃条件下真空干燥12~48小时，将干燥后的锂盐与有机溶剂混合并搅拌至形成均一溶液，搅拌均匀后溶液中锂盐的浓度为0.5-1.5mol/L；（2）将浓度为10wt.%~80wt.%的过氧化氢水溶液或纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液混合均匀得到含有过氧化氢的锂-氧气电池电解液，所述过氧化氢水溶液与步骤（1）所配溶液的质量比为0.1~0.5:1，所述纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液的质量比为0.03~0.15:1。作为优选，所述步骤（1）中锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂和高氯酸锂中的至少一种。作为优选，所述步骤（1）中有机溶剂是四乙二醇二甲醚、二甲基亚砜和乙二醇二甲醚中的至少一种。作为优选，所述步骤（1）中锂盐在80℃条件下真空干燥24h。作为优选，所述步骤（1）搅拌均匀后溶液中锂盐的浓度为1mol/L作为优选，所述步骤（2）中过氧化氢水溶液的浓度为50wt.%。作为优选，所述步骤（2）中过氧化氢水溶液与步骤（1）所配溶液的质量比为0.3:1作为优选，所述步骤（2）中所述纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液的质量比为0.05:1。有益效果：本专利技术制备的新型锂-氧气电池电解液，相比于现有无过氧化氢添加剂的锂氧气电池电解液，可以在正极不使用贵金属催化剂的条件下将锂氧气电池的充电过电压降低至0.5V左右（现有电解液技术：1.2V），并使电池可以在充放电固定比容量的条件下循环50圈以上（现有电解液技术：10圈），显著地提高了电池的能量效率和循环寿命。通过添加过氧化脲的方式来引入过氧化氢，克服了采用过氧化氢水溶液来向电解液中添加过氧化氢会让引入水分影响电池寿命的这一技术难点，具有制备方法操作简单、成本低廉的优势。附图说明图1为本专利技术实施例1固定比容量充放电曲线图；图2为本专利技术实施例1添加过氧化氢水溶液和未添加过氧化氢水溶液的锂-氧气电池充电曲线对比图；图3为本专利技术实施例1分别采用添加过氧化氢水溶液的锂-氧气电池电解液和添加相同比例的水的锂-氧气电池分解液对LiOH电极充电电压对比图；图4为本专利技术实施例1中在添加过氧化氢水溶液和添加相同比例水的锂-氧气电解液中进行充电之前和之后的LiOH电极傅立叶变换红外光谱表征（FTIR）图；图5为本专利技术实施例6添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池固定比容量循环图；图6为本专利技术实施例6未添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池固定比容量循环图；图7为本专利技术实施例6使用添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池的正极未测试、放电后、充电后的XRD图；图8为本专利技术实施例6添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池正极未测试的SEM图；图9为本专利技术实施例6添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池正极放电后的SEM图；图10为本专利技术实施例6添加过氧化脲电解液的锂-氧气电池正极充电后的SEM图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。实施例1(a)将双三氟甲烷磺酰亚胺锂在真空烘箱中80℃干燥24小时，之后将干燥后的双三氟甲烷磺酰亚胺锂以1mol/L的浓度溶于四乙二醇二甲醚中并搅拌均匀得到均一溶液；(b)将质量分数为30%的过氧化氢水溶液加入步骤(a)所得溶液中并搅拌均匀得到含有30%（质量分数）过氧化氢水溶液的锂-氧气电池电解液。(c)将玻璃纤维膜用(b)所得电解液润湿，按照金属锂负极、LISICON固态电解质陶瓷膜、玻璃纤维膜、导电炭黑正极的顺序组装成锂氧气软包电池。将组装的电池连接在LAND电池测试系统上进行充放电测试，测试电流密度为100mAg-1，限定充放电比容量为1000mAhg-1。所得电池循环性能图见图1。从图1可以看出，使用了添加过氧化氢水溶液的电解液的锂-氧气电池在首圈充电过程中电压降到了3.45V，前五圈的充电平台保持稳定并且充电截至电压控制在4.5V以下。这说明相比于现有不添加过氧化氢的锂-氧气电池电解液技术，过氧化氢的存在可以有效地降低锂-氧气电池的充电过电压，但是因为本实施例中为了保护负极金属锂免于与过氧化氢水溶液中的水反应而加入了循环过程中阻抗会增大的固态电解质陶瓷膜，从而导致电池的循环性能不够理想。(d)将玻璃纤维膜用步骤(b)所得电解液润湿，按照金属锂负极、LISICON固态电解质陶瓷膜、玻璃纤维膜、导电炭黑正极的顺序组装成锂氧气软包电池（含过氧化氢）。将组装的电池与LAND电池测试系统连接，进行充电测试。所得充放电曲线见图2。(e)同时将采用步骤(a)所得溶液与水混合形成含水30%（质量分数）锂-氧气电池电解液，将玻璃纤维膜用该电解液润湿，金属锂负极、LISICON固态电解质陶瓷膜、玻璃纤维膜、导电炭黑正极的顺序组装成锂氧气软包电池（含过氧化氢）。将组装的电池与LAND电池测试系统连接，进行充电测试。所得充放电曲线见图2。图2为添加过氧化氢水溶液和添加相同比例的水的锂-氧气电池充电过程对比图。从图2可以看出，未添加过氧化氢水溶液的电池充电过电位达到了1.20V，并且无法完全分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以过氧化氢为添加剂的锂‑氧气电池电解液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（1）将锂盐在60~90 ℃条件下真空干燥12~48小时，将干燥后的锂盐与有机溶剂混合并搅拌至形成均一溶液，搅拌均匀后溶液中锂盐的浓度为0.5‑1.5 mol/L；（2）将浓度为10wt.%~80wt.%的过氧化氢水溶液或纯过氧化脲晶体与步骤 (1) 所配溶液混合均匀得到含有过氧化氢的锂‑氧气电池电解液，所述过氧化氢水溶液与步骤（1）所配溶液的质量比为0.1~0.5:1，所述纯过氧化脲晶体与步骤 (1) 所配溶液的质量比为0.03~0.15:1。

【技术特征摘要】
1.一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（1）将锂盐在60~90℃条件下真空干燥12~48小时，将干燥后的锂盐与有机溶剂混合并搅拌至形成均一溶液，搅拌均匀后溶液中锂盐的浓度为0.5-1.5mol/L；（2）将浓度为10wt.%~80wt.%的过氧化氢水溶液或纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液混合均匀得到含有过氧化氢的锂-氧气电池电解液，所述过氧化氢水溶液与步骤（1）所配溶液的质量比为0.1~0.5:1，所述纯过氧化脲晶体与步骤(1)所配溶液的质量比为0.03~0.15:1。2.根据权利要求1所述的一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂和高氯酸锂中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种以过氧化氢为添加剂的锂-氧气电池电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：周豪慎，何平，杨思勰，吴士超，乔羽，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32