[發明專利]一種鋰-空氣電池用正極及其制備和應用

有效

• 申請號: 201210509216.1
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103855406A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 張華民;張益寧;張鳳祥;李先鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M12/08
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種鋰-空氣電池或鋰-氧氣電池領域的正極，特指其電極材料構成。

背景技術

鋰-空氣電池是一種以金屬鋰為負極，空氣電極為正極的可充式二次電池，負極鋰理論比容量高達3,862mAh/g，而作為正極活性物質的氧氣可直接從空氣中獲得，因此，鋰-空氣電池具有極高的比容量及比能量。以鋰為標準，其理論比能量密度可達11,140Wh/Kg，以全電池為標準，其實際比能量密度有望達到現有鋰離子電池的10倍，在民用及軍用領域極具應用前景。未來商業化的純電動車要求動力電池的比能量在500Wh/kg以上，科學家把鋰空氣電池作為未來電動汽車的動力電池之一。

鋰-空氣電池放電過程中，在正極側，由負極側遷移而至的鋰離子在電極材料表面與擴散而至的氧氣復合生成產物Li₂O₂或者Li₂O。固體Li₂O₂或者Li₂O不溶于電解質溶液，不能脫離材料表面，從而在此沉積直至堵塞電極孔道，導致放電反應終止。作為反應物的氧氣為了參與放電反應，必須通過在電極孔道中的擴散傳質到達整個電極空間中的電極材料表面。對于氧氣進氣口一側的電極，所需氧氣傳輸距離短，而另外一側傳輸距離遠，傳質阻力較大。需要特別指出的是，隨著放電的進行，電極孔道逐漸被不溶產物堆積占據，這將進一步增大氧氣傳質阻力。因此，受限于較差的反應物傳質狀況，通常遠離氧氣進氣口一側的電極內放電反應進行不充分，電極空間利用率較低。另一方面，為了提高鋰空氣電池的實用性，大電流放電性能也是需要考慮的問題，而這同樣對電極空間內的氧氣傳質提出較高的要求。

因此，為了提高鋰空氣電池電極材料比容量及倍率放電性能，需要在電極內構建通暢的氧氣傳質通道。如Hun-GiJung等人[NatChem:2012,4(7):579-585]碳粉刮涂于碳纖維交織構成的碳紙基底層之上，依靠碳纖維構建的三維貫通網絡確保氧氣在電極空間內的傳質，結果表明碳材料的比容量得到較大的提高。然而碳紙的引入增大了電極材料的實際質量，另一方面，隨著放電的進行，部分由碳纖維構建的孔道仍然會被放電產物堵塞，降低了傳質效果。

放電過程中傳質通道的阻塞，原因在于這部分孔道會沉積放電產物，而導致這一現象的根本原因在于，構建孔道的材料為電子導體，因此在其表面能夠進行電化學反應，從而生成固體產物。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種鋰空氣電池用正極及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下，

本發明所述的電極，其電極材料主要由導電多孔材料和構建孔道的絕緣材料構成，二者質量之比為5:1-1:1。絕緣材料為筑孔無機材料或筑孔有機材料；絕緣材料用于正極成型時參與構建正極中氣體傳輸孔道；即于正極成型時，絕緣材料和導電多孔材料共同構建正極中氣體傳輸孔道。

所述的正極或者由導電多孔材料、筑孔無機材料和粘結劑組成，其中導電多孔材料與無機材料質量之比為5:1-1:1，粘結劑在電極中所占質量分數為10-30%；

或者，由導電多孔材料和筑孔有機材料組成，其中導電多孔材料與筑孔有機材料質量之比為5:1-1:1；

或者，由導電多孔材料、筑孔有機材料和粘結劑組成，其中導電多孔材料與筑孔有機材料質量之比為5:1-1:1，粘結劑在電極中所占質量分數為10-30%；

所述的導電多孔材料由多孔碳材料或者多孔碳材料與催化組分的復合物構成，其中催化組分的質量分數為3%-50%。所述碳材料為粉體炭黑，介孔炭黑或線狀碳納米材料，包括KB600、KB300、BP2000、XC-72、Acetylene?black、Alkaline-activated?carbon、碳氣凝膠或碳干凝膠、二氧化碳活化碳、介孔碳中、碳納米管、碳納米纖維中的一種或多種；所述催化組分為氮、硼、金屬X或金屬X的氧化物中的一種或多種，其中X包括Pt、Au、Pd、Mn、Zr、Co、Cr、Fe、Ni、Cu、Ir、Ru、Rh、Os、Ti、Sn、V、Mo、Se中的一種或多種。

所述的筑孔無機材料為粒徑為30nm-5um的無機納米粉體，或孔徑在10nm-1um的無機介孔分子篩材料，包括碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸鎂、硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鋇、二氧化硅、氧化鈦、氧化鈣或氧化鋁中的一種或多種。

所述的筑孔有機材料由聚砜、聚酮、聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚丁二烯或醋酸纖維素中的一種或多種制備而成。