[發明專利]一種鋅空氣電池的電催化劑及其制備方法

無效

• 申請號: 200710028839.6
• 申請日: 2007-06-26
• 公開（公告）號: CN101114714A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 周震濤;陳水生;于非
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J23/889;B01J37/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 李衛東;裘暉

技術領域

本發明涉及化學電源技術領域，具體是指一種用作鋅空氣電池的具有尖晶石型晶態結構的電催化劑及其制備方法。

背景技術

鋅空氣電池從問世至今已經有一百多年的歷史。它是以空氣中的氧氣為正極活性物質，金屬鋅為負極活性物質，在催化劑的催化作用下發生化學反應而產生電流的一種化學電源。只要鋅電極沒有被消耗完，氧氣就可以通過空氣擴散電極源源不斷地到達電化學反應界面與鋅發生反應而不斷地產生電能。這種電池具有比能量高、放電電壓平穩、原材料便宜易得、無環境污染等優點，有著廣闊的應用前景。然而，鋅空氣電池的放電電流密度偏低，不能滿足較大功率放電的家用電子電器的使用需要，從而限制了它的市場和應用范圍。采取提高空氣電極空氣擴散總面積的方法可以在一定程度上增大電池的放電電流，但是同時卻會加劇鋅空氣電池的漏液爬堿難題。如果提高反應過程中催化劑的催化活性，就可以加速空氣中的氧氣被吸附進入電池的內部，提高氧氣在反應界面處的反應速率，從而增大電池的放電電流，即提高電池的輸出功率。可見，鋅空氣電池放電電流密度的大小與其空氣擴散電極所用的電催化劑密切相關。

傳統采用的活性碳、電解MnO₂等催化劑的催化活性較低，使氧氣在電化學界面上的反應速度較慢，從而限制了鋅空氣電池的放電電流密度。這種電池只能應用于扣式電池等小功率的電子電器設備。后來，有人采用貴金屬代替活性炭或MnO₂作催化劑來提高鋅空氣電池空氣擴散電極的催化活性，但是貴金屬的價格昂貴，而且以其作為催化劑電池的電流密度仍滿足不了家用電子電器的使用要求，因而也不能使其大規模地被應用。尖晶石型晶態結構金屬氧化物由于其電催化活性高、導電性好、原材料價廉易得等優點，是非常有發展前景的新型電催化劑體系。N.LI等采用溶膠凝膠法(ACP)制備出了尖晶石型LiCo_xM_2-xO₄[M＝Co，Fe，(Co、Fe)]金屬氧化物，其中以LiCo_0.6Mn_1.4O₄金屬氧化物為催化劑制備的空氣擴散電極在氧氣流條件下對氧還原和氧析出均表現出較高的電催化活性。周震濤等采用Co元素摻雜的方法制備了尖晶石型LiCo_xMn_2-xO₄金屬氧化物(詳見中國專利01107488.4)，用該材料作催化劑的鋅空氣電池的最佳放電電流密度可達150mA/cm²以上，比以電解MnO₂為催化劑的鋅空氣電池的放電電流密度(約為30～50mA/cm²)有了大幅度的提高；周震濤、李海彪等公開了一種溶液法，采用這種方法制備了LiCo_xMn_2-xO₄金屬氧化物(詳見中國專利申請200510032676.X)，以該方法制備的催化劑組裝的鋅空氣電池在-0.6V極化電位下的最佳極化電流密度可高達258mA/cm²。然而，上述背景技術仍存在如下問題：

1、以尖晶石型LiCo_xMn_2-xO₄材料為催化劑制備的鋅空氣電池的放電電流仍然偏低，不能滿足一些大功率電器的使用需要。

2、Co材料的價格高，從而使得其材料商業化的成本也較高。

3、在堿性電解質中，金屬Co元素的化學穩定性較差，從而影響了其所成電池的使用壽命。

發明內容

針對上述現有鋅空氣電池技術所存在的問題，本發明的首要目的在于提供一種原材料價格低廉、催化活性高的鋅空氣電池的電催化劑。本發明的鋅空氣電池電催化劑是以Mn、Ni、Fe、Co等過渡金屬元素的鹽類為基料，是采用溶膠凝膠法制備出具有尖晶石型晶態結構的金屬復合氧化物電催化劑LiNi_xCo_yFe_zMn_2-x-y-zO₄的。

本發明的另一目的是在于提供上述鋅空氣電池電催化劑的制備方法。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：本發明鋅空氣電池的電催化劑，通式為LiNi_xCo_yFe_zMn_2-x-y-zO₄，式中，0.10≤x≤0.50，0≤y≤0.50，0≤z≤0.50。該電催化劑的晶態結構為尖晶石型晶態結構。