[發(fā)明專利]一種新型可充金屬空氣電池氧電極及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110332490.1
• 申請日: 2011-10-28
• 公開（公告）號: CN102509806A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王貴欣;閆康平;趙強;關(guān)鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開一種新型高能量密度可充金屬空氣電池氧電極及其制備方法，涉及陣列氣體微通道和孔碳材料構(gòu)筑的三維結(jié)構(gòu)電極，屬于高性能化學(xué)電源及相關(guān)領(lǐng)域。

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背景技術(shù)

金屬空氣電池是以金屬為陽極、空氣中的氧氣為陰極的一類高效燃料電池，氧不儲存在電池內(nèi)部，能量密度較高，目前以鋰空電池、鋁空電池、鋅空電池為主要代表。其中，根據(jù)????????????????????????????????????????????????的反應(yīng)，以鋰為陽極的鋰空電池的開路電壓為2.91V，理論能量密度達5.21?kWh/kg（含氧氣）或11.14?kWh/kg（不含氧氣），性能可與汽油（12.22?kWh/kg）相媲美，被認為是電動車和高能量移動設(shè)備的理想電源。金屬空氣電池主要由金屬陽極、電解液和氧電極構(gòu)成。電池放電時，金屬陽極的極化通常較低，除了陽極的安全性和電解液的副反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性外，作為陰極的氧電極往往對電池的電化學(xué)性能（如：充放電性能、庫侖效率、等效串聯(lián)內(nèi)阻和循環(huán)穩(wěn)定性等）有決定性的影響，引起了人們的高度重視。氧電極是氧發(fā)生還原反應(yīng)和金屬氧化物發(fā)生分解反應(yīng)的場所，存在典型的氣液固三相反應(yīng)界面區(qū)，反應(yīng)過程中不僅氧的擴散阻抗和活化極化較大，而且金屬氧化物會在氧電極表面沉積并富集，阻礙甚至阻止氧離子與金屬離子的接觸而使電極反應(yīng)終止。根據(jù)公開的文獻資料報道，目前氧電極的研究主要集中在氧的電催化劑上。

為了提高氧的電催化效率和電池的可逆效率，目前可充鋰空電池的氧電極采用碳擔(dān)載的氧還原和金屬氧化物分解的雙功能催化劑（如AuPt?[J.?Am.?Chem.?Soc.,?2010,?132,?12170]）。然而，可充鋰空電池放電時金屬離子與氧離子在催化劑表面生成細小粒徑的Li₂O_x產(chǎn)物，由于這些氧化物導(dǎo)電性比較差，充電時很難發(fā)生分解并在氧電極析出氧，仍存在以下主要的問題：鋰氧化產(chǎn)物沉積附著在催化劑表面而使氧不能與鋰離子接近導(dǎo)致電極反應(yīng)終止、電極極化大、放電時氧還原反應(yīng)和充電時氧析出反應(yīng)的動力學(xué)速度低、氧和Li⁺的擴散輸運困難、充放電超電壓及電壓滯后（充電電壓多>?4V，放電電壓多在2.7V）嚴重、充電時電氧化效率低、循環(huán)穩(wěn)定性差。雖然空氣側(cè)使用水性電解液能夠解決氧化鋰的附著問題[J.?Power?Sources,?2010,195,?358]，但是氧化鋰與水反應(yīng)形成氫氧化鋰水溶液，不僅存在當溶液濃度高或靜止時產(chǎn)物會析出沉淀及材料的嚴重腐蝕問題，而且鋰空電池充電時LiOH水溶液很難轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘黉嚒Ａ硗猓鳛榇呋瘎┹d體的碳材料的種類、形貌、導(dǎo)電性和孔結(jié)構(gòu)對氧的電催化性能和鋰氧化產(chǎn)物的分解性能影響非常大，電池的開路電壓不僅與催化劑有關(guān)，也受產(chǎn)物的形成和分布影響。

因此，提高鋰空電池的工作效率與循環(huán)穩(wěn)定性，需要解決空氣中的氧氣在陰極反應(yīng)室的分布與傳輸問題、鋰氧化產(chǎn)物的沉積堵塞電極問題和催化劑的高效分散與電催化問題。目前還沒有發(fā)現(xiàn)從氧電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)提高鋰空電池電化學(xué)性能的研究報道。

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發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種由孔碳材料和中空結(jié)構(gòu)陣列材料組成的三維結(jié)構(gòu)可充金屬空氣電池的氧電極及其制備方法。該電極由氣體微通道（1）、氣體分布板（2）、電極集流體（3）、孔碳材料（4）、陣列材料（5）和隔膜（6）組成，其中，氣體微通道（1）和氣體分布板（2）可以由透氧膜替換，氣體微通道（1）、氣體分布板（2）和空氣電極集流體（3）可以兩個或三個耦合在一起，孔碳材料與陣列材料組成三維結(jié)構(gòu)電極，其與催化劑及電解液構(gòu)成陰極反應(yīng)室。該電極具有抗金屬氧化物沉積效果好、氧和金屬離子擴散路徑短、傳質(zhì)效果和離子輸運特性好、電極的可利用比表面積和孔隙率高、容量高和循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適應(yīng)于長期穩(wěn)定運行的高能量密度能源領(lǐng)域。