一种新型锂空气电池及其正极的制备方法技术

本发明专利技术公开一种锂空气电池及其正极的制备方法，所述方法首先根据使用需要选取光电半导体材料，并制备所述半导体材料，其次通过水热法、刮涂法或者喷涂法将制得的半导体材料覆盖在碳布表面，使其形成完整的锂空气电池正极复合材料；该储能设备所储存的能量将达到300Wh kg‑1，且电池结构能极大的缩小了装置的体积，能有效的适应世界各地的地形地貌，便于分布在不同的区域使用。另一方面，该装置由于省略了通过外电路存储光伏发电的过程，能有效降低了电能的损耗，保证电池具有高效利用太阳能的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种新型锂空气电池及其正极的制备方法
本专利技术涉及锂空气电池
，具体为一种锂空气电池及其正极的制备方法。
技术介绍
随着石油化石能源的大量消耗，寻求新的储能装置，成了二十一世纪的重要议题。锂-空气电池在众多储能设备中，具有高达3582Whkg-1，受到科研工作者的广泛关注。然而需要注意的是，在锂-空气电池体系下面临着许多技术上的难题，如高效的氧还原催化剂、针对Li2O2或LiOH分解的氧析出催化剂以及随着电池循环产生的副产物等。传统光伏发电产业将吸收的太阳能转化为电能，存储与大型的储能装置中。因为本身外电路存储设备电能转化效率以及电阻的存在，在充放电过程中，会有很大的电能消耗。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂空气电池及其正极的制备方法，极大的缩小了储能装置的体积，并且能有效降低了电能的损耗，保证电池具有高效利用太阳能的能力。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：该方法这样实现的，所述方法首先根据使用需要选取光电半导体材料，并制备所述半导体材料，其次通过水热法、刮涂法或者喷涂法将制得的半导体材料覆盖在碳布表面，使其形成完整的锂空气电池正极复合材料。作为一种优选，所述半导体催化剂为以下几种中的一种或几种共同使用：氧化钛、氧化锌、氧化铁半导体。进一步的，使用氧化钛作为催化剂时，所述制备所述半导体材料的过程具体步骤如下：步骤1.1将钛酸四丁酯加入体积比1:1的浓盐酸与水混合溶剂中，搅拌至澄清溶液；步骤1.2所得溶液移至反应釜中，在高温下水热12h，得到纳米棒状的氧化钛粉体；步骤1.3将所得到粉体在氢气中高温处理，得到富含三价Ti缺陷化的纳米氧化钛粉末。更进一步的，采用刮涂法制备锂空气电池正极的步骤如下：步骤2.1浆料制备：将缺陷化的氧化钛粉末与PVDF混合搅拌，并加入N-甲基吡咯烷酮混合、超声、搅拌，得到粘稠的浆料；步骤2.2将碳纸铺展固定在加热平台上，平台温度为50～80℃，用刮刀将浆料按照同一方向铺平光电催化剂；步骤2.3干燥后的光电半导体/碳纸复合材料，在热处理炉中，通入流动的空气，高温热处理。更进一步的，采用刮涂法制备锂空气电池正极的步骤如下：步骤3.1浆料制备：将缺陷化的氧化钛粉末与PVDF混合搅拌，并加入N-甲基吡咯烷酮混合、超声、搅拌，再添加定量的异丙醇稀释；步骤3.2将碳纸铺展固定在加热平台上，平台温度为50～80℃；步骤3.3将雾化浆液的喷枪垂直于碳纸上方，单一方向进行喷涂，喷满碳纸后垂直方向再进行二次喷涂，如此将浆料均匀负载在碳纸上；步骤3.4干燥后的光电半导体/碳纸复合材料，在热处理炉中，通入流动的空气，高温热处理。更进一步的，采用水热法制备锂空气电池正极的步骤如下：步骤4.1取碳布洗净，0.05mM的钛酸四丁酯溶于异丙醇中，将碳布放入浸泡，后300℃热处理，形成种子层；步骤4.2将一定量钛酸四丁酯加入体积比1:1的浓盐酸与水混合溶剂中，搅拌至澄清溶液；步骤4.3所得溶液移至反应釜中，放入碳布，在高温下水热处理，得到纳米棒状的氧化钛碳布材料；步骤4.4将所得到粉体在氢气中高温处理，得到富含三价Ti缺陷化的纳米氧化钛碳布复合材料。采用上述正极制得的锂空气电池包括金属锂片、电解液、固态电介质隔膜、电极及导线，所述固态电解质隔膜将整个电池分为正极侧与负极侧，所述电解液分布在电池内，在负极侧设置有金属锂片；其特征在于，所述电池在正极一侧内设有光电半导体材料层覆盖的碳布，并且，在所述正极侧的侧面，为采用透明材质制成的外壳。进一步的，所述半导体材料层为氧化钛、氧化锌或者氧化铁半导体层。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术通过采用光电半导体材料层覆盖的碳布作为正极，将光电产生的电能直接存储在锂-空气电池中，即将光电半导体表面产生的电子以化学能的形式直接存储在锂-空气电池内。这样的电池所储存的能量将达到300Whkg-1，极大的缩小了储能装置的体积，能有效的适应世界各地的地形地貌，便于分布在不同的区域。另一方面，该装置由于省略了通过外电路存储光伏发电的过程，能有效降低了电能的损耗，保证电池具有高效利用太阳能的能力。附图说明以下将结合附图对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术新型电池结构示意图；图2为实施例1的充放电曲线；图3为实施例1合成光电半导体TiO2的X射线衍射图谱；图4为实施例1合成光电半导体TiO2的扫描电子显微镜图片；图5为实施例2合成光电半导体ZnO的扫描电子显微镜图片。图6为实施例3合成光电半导体Fe2O3的扫描电子显微镜图片。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。参照图1所示，本专利技术的该新型电池结构示意图以及储能过程原理图，机理为：通过光照半导体电极，激发半导体的电子和空穴分离；在较低的充电电位下，如图2所示，通过空穴氧化过氧化锂的分解，电子还原锂离子为金属锂。该技术是这样实现的，包括金属锂片、电解液、固态电解质隔膜、碳布、不锈钢电极、导线等。其特征在于，电池具有两个腔体，利用固态电解质隔膜分开电池的正负极，正极一侧为负载光电半导体材料的碳布，负极一侧为金属锂片。在正极催化剂一侧，有一个石英玻璃窗口，可供太阳光进入激发光电半导体，其正极一侧充满电解液，同时在负极锂片一侧添加足量的电解液。当正极为有机电解液时，所述储能装置的放电过程为：正极：Li++O2+2e-→Li2O2；负极：Li++2e-；电池总反应：O2→Li2O2如上方程式所述：放电过程中，金属锂片失去电子，正极的氧气得到电子被还原，同时在表面形成过氧化锂产物，电子在外电路传输，因此产生电流。充电过程中，电池放电时产生的过氧化锂Li2O2，是一种不溶固体，吸附在半导体催化剂表面。当光照射在催化剂表面时，产生大量的光生电子与空穴，而空穴具有极强的氧化性，可以与过氧化锂发生反应，从而使放电产物充分分解，达到存储能量的目的。当正极为水性电解液时，所述储能装置的放电过程为：正极：O2+2H2O+4e-→4OH-；负极Li++4e-；电池总反应：O2+2H2O→4LiOH放电过程中，正极性能氢氧化锂，外电路形成电流，构成一个电池的回路。充电过程中，催化剂表面的空穴将OH-氧化，形成O2，实现电池的循环，同时将太阳能转化成化学能存储在电池中。新型储能设备的结构特征如下：该技术是这样实现的，包括金属锂片、电解液、固态电解质隔膜、碳布、碳纸、不锈钢电极夹、导线、通气管道等。其特征在于，电池具有两个腔体，利用固态电解质隔膜分开电池的正负极，正极一侧为负载光电半导体材料的基体，负极一侧为金属锂片。在正极催化剂一侧，有一个石英玻璃窗口，可供太阳光进入激发光电半导体，其正极一侧充满电解液，该电解液可以选择有机电解液或者是水性电解液溶剂。负极腔体内为金属锂片，同时充满足量的有机电解液。整个电池由聚四氟乙烯制成，在正极腔体上方由管道通入氧气，参与电池反应。该储能装置正极用光催化半导体的制备，具体过程如下：(1)、将一定量钛酸四丁酯加入体积比1:1的浓盐酸与水混合溶剂中，搅拌12h至澄清溶液；(2)、所得溶液移至反应釜中，在150℃高温下水热12h，得到纳米棒状的氧化钛粉体；(3)、将所得到粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，所述方法首先根据使用需要选取光电半导体材料，并制备所述半导体材料，其次通过水热法、刮涂法或者喷涂法将制得的半导体材料覆盖在碳布表面，使其形成完整的锂空气电池正极复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，所述方法首先根据使用需要选取光电半导体材料，并制备所述半导体材料，其次通过水热法、刮涂法或者喷涂法将制得的半导体材料覆盖在碳布表面，使其形成完整的锂空气电池正极复合材料。2.根据权利要求1所述的一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，所述半导体催化剂为以下几种中的一种：氧化钛、氧化锌、氧化铁半导体。3.根据权利要求1所述的一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，使用氧化钛作为催化剂时，所述制备所述半导体材料的过程具体步骤如下：步骤1.1将钛酸四丁酯加入体积比1:1的浓盐酸与水混合溶剂中，搅拌至澄清溶液；步骤1.2所得溶液移至反应釜中，在高温下水热12h，得到纳米棒状的氧化钛粉体；步骤1.3将所得到粉体在氢气中高温处理，得到富含三价Ti缺陷化的纳米氧化钛粉末。4.根据权利要求3所述一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，采用刮涂法制备锂空气电池正极的步骤如下：步骤2.1浆料制备：将缺陷化的氧化钛粉末与PVDF混合搅拌，并加入N-甲基吡咯烷酮混合、超声、搅拌，得到粘稠的浆料；步骤2.2将碳纸铺展固定在加热平台上，平台温度为50～80℃，用刮刀将浆料按照同一方向铺平光电催化剂；步骤2.3干燥后的光电半导体/碳纸复合材料，在热处理炉中，通入流动的空气，高温热处理。5.根据权利要求3所述一种锂空气电池正极的制备方法，其特征在于，采用刮涂法制备锂空气电池正极的步骤如下：步骤3.1浆料制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，龚浩，范晓莉，高斌，冯亚亚，郭虎，李晶晶，何建平，黄现礼，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32