[發明專利]一種高能量密度鋰空氣電池空氣電極及電池和制備方法

有效

• 申請號: 201310070961.5
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN103280586A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 李軍;梁景文
• 申請（專利權）人: 廣州市東力電池實業有限公司;廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，更為具體地，涉及一種高能量密度鋰空氣電池空氣電極及電池和制備方法。

背景技術

鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。其放電過程如下：陽極的鋰釋放電子后成為Li⁺，Li⁺穿過電解質材料，在陰極與氧氣以及從外電路流過來的電子結合，生成氧化鋰?(Li₂O)?或者過氧化鋰(Li₂O₂)，并留在陰極。充電時進行相反的反應釋放出氧氣。兩個反應都是在碳電極表面進行。

鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的比能量，理論上，由于氧氣作為陰極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能量為5210W?h/kg(包括氧氣?質量)，或11140W?h/kg?(不包括氧氣質量)。高出現有的電池體系1~2個數量級。巨大的能量密度決定了鋰空氣電池將在航空和移動能源領域中有廣泛的應用。

但是，鋰空氣電池的實際容量受空氣電極的微結構和鋰電極易腐蝕所制約，一般空氣電極主要由催化劑、催化劑載體與粘結劑三部分組成。不溶的放電產物(氧化鋰或過氧化鋰)會沉積在空氣電極微結構的孔隙中(主要是載體材料)，阻塞空氣電極，隔離了電解質與氧氣的接觸，導致放電終止，影響其實際容量。另外催化劑的催化活性會決定電池的充放電循環性能。研究空氣電極微結構對鋰空氣電池的應用推廣非常有意義，活潑的金屬鋰電極與空氣中的水分和二氧化碳能夠發生激烈的反應，研究鋰電極的保護也是非常有意義的。

目前，針對以上兩點，對鋰空氣電池的研究也主要分為兩個大方向：設計具有新型結構空氣電極與制備高活性催化劑。設計新型的結構使電池在放電時可容納的不溶放電產物量達到極大，或減少空氣電池中非活性物質的含量，從而使單位質量空氣電極獲得最大的容量，即最大的比容量。一般可以通過制備高孔隙率的碳材料作為載體來提高電池的比容量，例如夏永姚等(材料化學“Chemistry?of?Materials19(2007)2095-2101)提出以有序介孔碳CMK-3作為催化劑載體，但獲得的比容量值有限。空氣電極中的催化劑，雖然在充放電過程中并不參與電池反應，但是在電池中起著舉足輕重的作用，不僅決定鋰空氣電池充放電電壓與充放電效率，還會影響電池的可逆性。一般可以通過制備對析氧反應和氧還原反應都具有較高催化活性的催化劑，或者設計可使催化劑高度分散的技術來提高鋰空氣電池的循環性能。Yi-Chun?Lu(美國化學會期刊“Journal?of?American?Chemical?Society”2010，ARTICLE?IN?PRESS)等提出以Pt或者Au以及兩者的合金作為催化劑，雖然一定程度上降低了鋰空氣電池的充電電壓，但是由于催化劑的成本較高，難以應用于實用化的鋰空氣電池生產中。因此設計一種合適的空氣電極成為開發高性能鋰空氣電池的關鍵和熱點。

綜上所述，本領域缺乏一種可以使得鋰空氣電池的化學性能和安全大幅度提高的鋰空氣電極。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術鋰空氣電池實際放電容量低、循環性差的缺陷，提供一種鋰空氣電池空氣電極，所述鋰空氣電池空氣電極包括催化劑、載體和粘結劑；所述載體為具有高的導熱系數（~5000W/m.k）、高比表面積(2630m²/g)和高電導率(10³~10⁴Sm^-1)的納米石墨烯和SiO₂氣凝膠復合雙孔體系材料；其獨特的二維納米結構，為電解液與氧氣的擴散提供雙面通道，能夠形成理想的三相電化學區域，增加了催化反應效率。

本發明的另一個目的是提供一種鋰空氣電池空氣電極的制備方法。

本發明的另一個目的是提供一種鋰空氣電池。所述鋰空氣電池包括如上所述的空氣電極。所述鋰空氣電池由于采用了納米石墨烯和SiO₂氣凝膠的復合雙孔體系材料作為鋰空氣電池的新型鋰空氣電極載體材料，可以明顯降低粘結劑使用量，有效地阻止有機電解液淹沒空氣電極，獲得更大的反應活性區域即氣液固三相界面，最終提高電池的比容量，改善電池充放電性能，尤其是大電流密度條件下的性能。同時，材料制備采用的各種技術操作簡單，適合大規模生產。

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案予以實現的：