[0002] 作为下一代高能量密度动力电池(理论比能量约11 kWh/kg),锂空气电池的充放电循环稳定性是当前关注的热点(参考文献:Y. Li, et al. Recent advances in non-aqueous electrolyte for rechargeable Li-O2 batteries, Advanced Energy Materials, 2016, 6(18), 1600751.)。在常见的有机电解质体系中,电池放电时氧在正极还原形成过氧化锂,充电时过氧化锂分解析出氧气和锂离子,形成充放电循环。但是,由于放电产物过氧化锂具有较强的氧化性,可能引发一些电解液的分解(参考文献:B. D. Adams, et al. Towards a stable organic electrolyte for the lithium oxgygen battery, Advanced Energy Materials, 2015, 5(1), 1400867.),生成氢氧化锂、碳酸锂、烷基碳酸锂和羧酸锂等多种副产物(参考文献:Y. C. Lu, et al. Probing the reaction kinetics of the charge reactions of nonaqueous Li-O2 batteries, Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, 4(1), 93-99.),这些副产物在正常充电过程中不能分解,会逐渐累积堵塞多孔正极;此外,多次充放电后不导电的过氧化锂可能形成薄膜,包覆正极引起电池失效。
[0003] 事实上,电解液中微量的水、溶解氧和电解液分解副产物腐蚀锂负极对电池性能影响更加严重。在锂空气电池中,电解质与金属锂电极在其界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层具有固体电解质的特征, 它是电子绝缘体,却是锂离子的优良导体,被称为“固体电解质界面” ( solid electrolyte interface,简称SEI膜)。尽管SEI膜能一定程度上保护锂负极,但多次循环后难免受到损坏,导致锂枝晶的形成,并与电解质中的溶解氧、水份及其他正极分解产物反应,在金属锂表面形成碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂、过氧化锂以及氢化锂等系列复杂化合物(参考文献:B. Liu, et al. Enhanced cycling stability of rechargeable Li-O2 batteries using high-concentration electrolytes, Advanced Functional Materials, 2016, 26, 605-613.)。如果电池使用可溶性氧化还原媒介体,还会出现穿梭效应,形成正负极交互影响。以上因素都显著影响充放电循环稳定性和使用寿命。因此,有效隔离锂空气电池正负极室,避免出现正负极交互影响,是改善锂空气电池循环性能关键的一环。
[0004] 普遍使用的Celgard-2400、尼龙-66及硼硅酸盐玻璃纤维隔膜等具有电解液浸润性好、稳定性高以及离子导通率高等特点,但不能起到隔离溶解氧、水份及其他有害成分的作用。Kumar等(参考文献:J. Kumar, et al. Development of membranes and a study of their interfaces for rechargeable lithium-air battery, Journal of Power Sources, 2009, 194, 1113-1119.)利用陶瓷掺杂物PC(BN)、PC(AlN)、PC(Si3N4)和PC(Li2O)混合制备复合隔膜保护锂负极,促进电极电荷转移反应和锂的SEI膜形成,提高了电池的性能。Amanchukwu等(参考文献:C. V. Amanchukwu, et al. Understanding the chemical stability of polymers for lithium−air batteries, Chemistry of Materials, 2015, 27, 550- 561.)在聚丙烯薄膜上叠层沉积PEO/GO/ PEO/PAA制备复合隔膜,有效抑制了锂枝晶的生长,维持了较高的离子导通率,但在部分有机溶剂中的稳定性较差。Kim等(参考文献:B. G. Kim, et al. A moisture-and oxygen-impermeable separator for aprotic Li-O2 batteries, Advanced Functional Materials, 2016, 26, 1747-1756.)利用聚氨酯薄膜结构致密,可以阻隔水和氧气通过且耐溶剂侵蚀的特点,制成锂空气电池的隔膜,以固定容量600 mAh g-1可以循环100圈,但是隔膜阻抗大,充电电压高达4.8 V,充放电效率低。Lee等(参考文献:D. J. Lee, et al. Sustainable redox mediation for lithium-oxygen batteries by a composite protective layer on the lithium-metal anode, Advanced Materials, 2016, 28, 857–863.)利用Al2O3和PVdF-HFP制备复合薄膜包覆金属锂,可以用1000 mAh g-1的容量循环80圈,不过也是充放电效率较低。Kim等(参考文献:J. H. Kim, et al. Improved cycling performance of lithium-oxygen cells by use of a lithium electrode protected with conductive polymer and aluminum fluoride, ACS Applied Materials Interfaces, 2016, 8,
32300- 32306.)等将导电聚合物PEDOT-co-PEG与AlF3复合制备隔膜包覆金属锂,以1000 mAh g-1可循环70圈,同样地充电电压接近5 V。由此可见,制备复合隔膜是目前锂空气电池隔膜研究开发的方向,但兼具隔离、稳定性和离子导通综合效能的隔膜尚未见报道。
[0005] 本发明将聚氨酯、纳米二氧化硅与玻璃纤维膜进行复合,兼顾溶解氧、水份隔离、离子导通率及机械强度的要求,制备方法简单,操作方便,并且能明显改善锂空气电池的充放电循环性能。