[發明專利]一種鋰空氣電池用核殼結構電催化劑材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210131834.7
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102683726A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 張治安;周耿;彭彬;賈明;劉晉;李劼;賴延清
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J27/24
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明屬于電化學領域，涉及一種鋰空氣電池用核殼結構電催化劑材料及其制備方法。

背景技術

由于環境問題日益突出，石油危機日益嚴峻，節能和新能源技術已逐漸成為人類的關注焦點和研究熱點。眾所周知，鋰離子電池是新能源領域里極有代表性及競爭力的電池體系，已廣泛用于手機和筆記本電腦等，目前也已經是下一代混合動力車和純電動車的重要之選。然而常規鋰離子電池很大程度上是受制于它的先天限制，低能量密度的鋰離子電池很難滿足電動汽車等領域對高能量密度的要求，而現有電池體系在能量密度和功率密度等方面的提升空間有限，迫切需要發展基于新構思、新材料和新技術的二次電池新體系。

鋰空氣電池作為當今電池領域最領先的電池體系之一，引起了廣泛的關注。它采用金屬鋰作為電池的負極，正極一般由電催化劑、碳材料、粘接劑組成，空氣中的氧作為活性物質，氧氣通過外界擴散進入電池在電催化劑作用下發生反應，理論上正極的容量密度是無限的，遠優于常規鋰離子電池。另外，在所有的電池負極材料中金屬鋰具有優良的電子電導，同時其電化學容量3860mAh/g，不考慮氧氣做活性物質的量，其理論比容量高達11680Wh/Kg，接近于傳統的燃油系統(13000Wh/Kg左右)。因此，鋰空氣電池以其高的比容量和比能量以及對環境友好等特性而成為目前備受關注的能量轉換體系，有望取代現行的鋰離子電池而得到廣泛應用。

鋰空氣電池并非新概念，早在二十世紀70年代就已經提出。然而，為什么鋰空氣電池至今都未普及？原因是它存在致命缺陷，其中，嚴重的極化現象是影響鋰空氣電池性能發揮的重要因素。電催化劑作為鋰空氣電池的關鍵材料之一，其材料的電催化性能、穩定性、導電性、比表面積、形貌結構等因素對降低鋰空氣電池的極化、高的比容量及循環性能有很大的影響。一種高效的電催化劑能夠極大地提高鋰空氣電池的效率，抑制電解液的分解，從而提高循環壽命。因此，為了降低鋰空氣電池的極化，提高電池性能，電催化劑的研究與開發必不可少。

目前的研究者一般采用單一的過渡金屬氧化物、金屬氮化物、貴金屬等作為鋰空氣電池的電催化劑。在鋰空氣電池中，過渡金屬氧化物是研究最多的電催化劑，目前已對氧化錳，氧化鈷，氧化鐵，氧化釩，氧化鎳等作為電催化劑的研究應用于鋰空氣電池，其中氧化錳及氧化鈷的性能最為突出。Peter?G.Bruce(Journal?of?Power?Sources?174，2007，1177-1182)等研究了不同類型過渡金屬氧化物的電催化性能，EMD(電解氧化錳)與Co₃O₄擁有著較好的放電容量、循環性能及電催化性能；Jiaxin?Li(Electrochemistry?Communications，13，2011，698-700)等采用氧化還原制備出了碳載氧化錳電催化材料，其放電容量超過1800mAh/g，放電平臺高于2.8V，充電平臺低于3.8V，電池極化大幅度降低；Yanming?Cui(Solid?State?Ionics，2012，in?press)等采用硬模板法制備出了不同型號的介孔Co₃O₄，電池的充電平臺可降低至3.5V左右，電催化性能優異。使用過渡金屬氧化物作為電催化劑時，其鋰空氣電池有放電容量高、循環性能好、較好的電催化性能的特征，但是過渡金屬氧化物的導電性不好，反應容易被終止，不能發揮出穩定的電催化性能。Shanmu?Dong(Chemical?Communications，2011，47，11291-11293)等以采用氨氣還原法將MoO₃還原成MoN為電催化劑，由于MoN良好的導電性，其放放電平臺極高，但是其充電電壓并沒有有效地降低，催化性能還需進一步提高。Yi-Chun?Lu(Journal?of?the?American?Chemical?Society，2010，132，12170-12171)等制備了貴金屬納米電催化劑PtAu/C應用到鋰空氣電池中，研究結果表明，電池的放電電壓有著明顯的提高(比純碳高0.2V左右)，充電電壓大幅度的降低(比純碳低0.6V左右)，顯著提升了電池充放電效率，但是使用貴金屬電催化劑，其原料價格昂貴，電池的比容量與循環性能的發揮不是很理想，不易大規模商業化。