一种可弯曲单基板锂-空气电池串联结构

摘要

本发明公开了一种单基板锂-空气电池串联结构。该结构以柔性基板为底层，自下而上分别加工图案化的导电涂层、金属锂负极、绝缘隔层、空气电极和阻水透气膜。发明所述的单基板锂-空气电池串联结构具有柔性可弯曲的结构特点，提高电池组件的适用性和安全性；实现单基板上制备正负极材料，降低电池系统质量，提高能量密度；通过导电涂层图案化参数的变化，实现串联组件输出电流和电压的调控。

说明书

技术领域

本发明属于化学电源领域，具体涉及一种锂-空气电池结构。

背景技术

科学和技术的进步推动着制造业的不断升级，能源的供给、使用和存储作为 基础支撑着整个产业升级。化石能源日益枯竭，生态污染不断加重，全球气候不 断变暖，如何洁净地使用能源成为人类社会无法回避的关键课题。电池替代传统 的化石燃料驱动机动车等动力设备成为学术界和产业界共同关注的热点。经过二 十多年的发展，锂离子电池的容量密度已经逐渐接近其理论极限，然而其作为动 力电池驱动电动车行驶的里程普遍小于100英里，无法满足实际的需求。锂-空 气电池负极采用最高电化学容量的金属锂(2860mAh/g)，正极的活性反应物来 源于外界空气，因而锂-空气电池的理论能量密度可以达到11680Wh/kg，将其作 为动力电池一次充电驱动电动车可以达到300英里以上，达到了化石燃料的水 平。随着学术界和工业界的持续研究和投入，锂-空气电池被广泛认为是锂离子 电池的理想替代者用来驱动动力汽车。考虑到材料成本和使用安全，有机电解质 体系的锂-空气电池成为研究主体。经过大量的研究积累，正/负极材料和电解液 得到广泛的开发，电池充放电机制和各部分之间的协同效应得到了深入的研究。 然而，针对锂-空气电池的性能研究普遍采用简单的片层堆叠结构和复杂的外部 金属装置，测试的容量和循环性能仅针对材料的特性，无法反映电池的整体性能。 美国西北太平洋国家实验室的JiguangZhang及其合作者，通过将“空气电极-锂 带-空气电极”结合其他电池元件通过层压封装于外部保护材料中，制成典型的 “三明治结构”的软包装锂-空气电池，进而评测电池的性能。尽管这种“三明治结 构”可以用来评测电池的整体性能，考虑到这种简单堆叠结构层数进一步提高后， 无法解决内部空气电极对气体扩散的要求和金属锂负极对空气的敏感性，限制能 量密度和安全性能。因而，如何进一步提高电池的能量密度、实现电池的柔性可 弯曲和调节输出电流与电压成为锂-空气实际应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种单基板锂-空气电池串联结构，提高电池的能量密度、 实现电池的柔性可弯曲和调节输出电流与电压。

一种可弯曲单基板锂-空气电池串联结构，包括柔性基板、金属锂负极、空气 电极，

于柔性基板的上表面从左至右依次顺序设置有2个以上的条状导电涂层，相 邻导电涂层间留有间隙；于每一个导电涂层上均设置有绝缘隔层，绝缘隔层的下 表面设有凹槽，凹槽内放置有金属锂负极，金属锂负极与导电涂层上表面相接触；

绝缘隔层的下表面右侧边缘向下延伸至相邻导电涂层的间隙内，使相邻导电 涂层间通过绝缘隔层相间隔；绝缘隔层的下表面左侧边缘与导电涂层上表面相接 触；

于绝缘隔层上表面设有空气电极，空气电极右侧边缘向下延伸至与空气电极 所在条状导电涂层相邻的、且处于它们右侧的导电涂层上，并与它们右侧的导电 涂层相接触；

于空气电极上表面设有阻水透气膜，阻水透气膜的右侧和左侧边缘分别向下 延伸并与导电涂层上表面相接触；空气电极处于绝缘隔层和阻水透气膜之间，于 绝缘隔层和阻水透气膜间设有条状阻水透气膜，条状阻水透气膜将空气电极从左 至右依次顺序分隔成2个以上单元。

于空气电极和绝缘隔层中浸润有电解液。

于每个空气电极单元所在的阻水透气膜上均分别开设有注液孔，注液孔采用 密封胶封堵密封。

所述柔性基板为一平板，金属锂负极为长条状结构。

所述柔性基板一般为对有机溶剂具有良好稳定性的绝缘材料，可以是单组份 材料(如：聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚偏氟 乙烯等高分子材料)或复合材料(如：聚对苯二甲酸乙二醇酯-镀铝/聚乙烯/增强 层/聚乙烯等金属-聚合物复合材料，表面阳极氧化的铝金属薄膜进行绝缘化处理 的表面钝化金属薄膜)；

所述导电涂层包括结合掩膜技术直接生成和结合刻蚀技术间接生成的图案 化的导电涂层；

所述结合掩膜技术直接生成图案化的导电层包括：通过掩膜板遮盖部分柔性 基底，针对未遮盖的部分柔性基底进行印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积 等方法生成图案化的导电涂层；通过将柔性基底涂覆光刻胶，进行光刻-曝光-显 影-刻蚀方法形成掩膜遮盖部分柔性基底，针对未遮盖的部分柔性基底进行印刷、 刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成图案化的导电涂层，再选择性除去 光刻胶。

所述结合刻蚀技术间接生成图案化的导电涂层包括：对柔性基底进行刮涂、 喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成导电涂层，通过掩膜板或者光刻胶掩膜(涂 覆-光刻-曝光-显影-刻蚀)遮盖部分导电涂层，通过刻蚀技术(光刻蚀、X射线 刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、阳极氧化等)除去未遮盖的导电涂层实现图案 化；对柔性基底进行刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成导电涂层，通 过刻蚀技术(X射线刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、激光刻蚀等)除去部分导 电涂层实现图案化。

所述导电涂层可以是通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生 成的导电聚合物(如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等)、 金属(如铜、镍、铝、银等)、无机化合物(如掺铟氧化锡、掺氟氧化锡等)等。

所述绝缘隔层可以通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生成 的绝缘聚合物(如环氧树脂、聚酯、聚氨酯、有机硅树脂、聚酰亚胺醇酸树脂等) 和绝缘无机化合物(如氧化锆、氧化硅等)。

所述空气电极可以是通过印刷、刮涂、喷涂、真空溅射、化学沉积等方法生 成的碳基材料(如石墨烯、碳纳米管、商业碳粉等)、无机化合物(如锰氧化合 物、钴氧化合物、钌氧化合物、氮化钛、碳化钛等)、金属(如金、银、铂等)。

所述阻水透气膜可以是高分子材料(如聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸 乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚偏氟乙烯等)，无机材料(如 Li_1.35T_1.75Al_0.25P_2.7Si_0.3O₁₂)，无机-聚合物复合材料(如泡沫镍复合聚二甲基硅氧 烷等)。

所述注液孔为阻水透气膜表面预留的孔道，电解液通过真空负压回填技术浸 入整个电池内部。

所述电解液为三氟甲基磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酰锂、高氯酸锂、六氟磷酸 锂等电解质盐和四乙二醇二甲醚、二甲基亚砜、丙烯酯等电解质溶剂组成。

所述密封胶为紫外线固化胶。

本发明的有益效果：

本发明锂-空气电池没有传统锂-离子电池、锂-硫电池和燃料电池将正极-隔膜 -负极作为单元在竖直方向上不断堆叠构成叠片电池，解决了空气电极对气体扩 散的要求和金属锂负极对反应气的敏感性的问题，实现锂-空气电池的可弯曲性 和耐压性；不同单元之间的正极和负极通过导电涂层连接，实现电池整体单一基 板和单一集流体的特点，提高电池的能量密度；控制导电涂层的图案化参数，实 现不同尺寸单元的串联连接和调节输出电流与电压。总之，本发明的锂-空气电 池串联结构灵活，电池整体柔性可弯曲，提高能量密度的同时可调节输出电压和 电流。

附图说明

图1为可弯曲单基板锂-空气电池串联结构示意图；图中：

具体实施方式：

下面的实施例可以针对专业技术人员更加全面理解本发明所述结构，但并不 针对结构进行任何方式的限定。

实施例1

如图1所示，柔性基板为厚度200微米的聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜，导电涂 层为磁控溅射法制备厚度50纳米的掺氟氧化锡薄膜并通过激光刻蚀表面形成图 案，金属锂为通过层压机压合于掺氟氧化锡表面的锂电池常用锂带，绝缘隔层为 结合掩膜板磁控溅射法制备的厚度2-5微米氧化锆多孔薄膜，空气电极为以商业 化碳材料KB600和聚四氟乙烯分别作为活性材料和粘结剂辊压法制备的空气电 极，阻水透气膜为通过沙林树脂热压粘结于掺氟氧化锡的10微米聚对苯二甲酸 乙二醇酯薄膜。电池封装完毕后，通过聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面预留的直 径1毫米的圆形孔道，利用真空负压方法将三氟甲基磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲 醚电解液浸润整个电池内部腔体。注液完毕后，注液孔由紫外光固化胶在紫外光 条件下固化封堵。

实施例2

如图1所示，柔性基板为厚度500微米聚对苯二甲酸乙二醇酯-镀铝/聚乙烯/ 增强层/聚乙烯的金属-聚合物复合薄膜，导电涂层为结合掩膜板真空热沉积制备 的厚度20纳米铝金属薄膜，金属锂为通过层压机压合于金属铝表面的锂电池常 用锂带，绝缘隔层为结合掩膜板磁控溅射法制备的厚度2-5微米氧化硅多孔薄膜， 空气电极为以水热合成法制备的氧化亚钴纳米线和聚偏氟乙烯分别作为活性材 料和粘结剂辊压法制备的空气电极，阻水透气膜为通过紫外光固化胶粘结于铝金 属薄膜表面的10微米聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。电池封装完毕后，通过聚萘二 甲酸乙二醇酯薄膜表面预留的直径1毫米的圆形孔道，利用真空负压方法将三氟 甲基磺酰锂的四乙二醇二甲醚电解液浸润整个电池内部腔体。注液完毕后，注液 孔由紫外光固化胶在紫外光条件下固化封堵。

实施例3

如图1所示，柔性基板为表面氧化生成氧化钛钝化层的金属钛板，导电涂层 为在光刻胶掩膜的表面氧化处理钛板上真空热沉积金属铝后再刻蚀光刻胶形成 的图案化的厚度20纳米铝金属薄膜，金属锂为通过层压机压合于金属铝表面的 锂电池常用锂带，绝缘隔层为结合掩膜板真空蒸镀的聚丙烯薄膜，空气电极为表 面原位担载氧化亚钴粒子的石墨烯和聚四氟乙烯分别作为活性材料和粘结剂辊 压法制备的空气电极，阻水透气膜为热灌注的聚二甲基硅氧烷薄膜。电池封装完 毕后，通过聚二甲基硅氧烷薄膜表面预留的直径1毫米的圆形孔道，利用真空负 压方法将高氯酸锂的二甲基亚砜电解液浸润整个电池内部腔体。注液完毕后，注 液孔由紫外光固化胶在紫外光条件下固化封堵。

实施例4

如图1所示，柔性基板为厚度200微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，利用 聚酰亚胺胶带对部分聚对苯二甲酸乙二醇酯基底进行绝缘保护，导电涂层为电化 学沉积法制备厚度1微米的金属镍薄膜并在沉积完成后去除聚酰亚胺胶带形成 图案，金属锂为通过层压机压合于金属镍薄膜表面的锂电池常用锂带，绝缘隔层 为结合掩膜板磁控溅射法制备的厚度2-5微米氧化硅多孔薄膜，空气电极为以单 质金属钴掺杂的石墨化碳材料和聚四氟乙烯分别作为活性材料和粘结剂辊压法 制备的空气电极，阻水透气膜为通过沙林树脂热压粘结于金属镍薄膜的10微米 聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。电池封装完毕后，通过聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜表面 预留的直径1毫米的圆形孔道，利用真空负压方法将高氯酸锂的N-甲基吡咯烷 酮电解液浸润整个电池内部腔体。注液完毕后，注液孔由紫外光固化胶在紫外光 条件下固化封堵。