[發(fā)明專利]一種鋰空氣電池空氣極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310237731.3
• 申請(qǐng)日: 2013-06-14
• 公開（公告）號(hào): CN103326034A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 麥立強(qiáng);石長(zhǎng)瑋;黃磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰空氣電池制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰空氣電池空氣極及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著電子設(shè)備的小型化和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，人們對(duì)電池的容量提出了更高的要求。鋰空氣電池以其超高的比容量和能量密度被儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)W者們廣泛關(guān)注，由于其正極參與化學(xué)反應(yīng)的O₂不在電池內(nèi)部而來源于外界環(huán)境，因此鋰空氣電池可以提供超高的能量密度（5000Wh/kg），為相同質(zhì)量鋰離子電池的十倍以上。同時(shí)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，為研究新一代高容量綠色儲(chǔ)能器件提供了選擇，未來可能會(huì)在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中得到較為廣泛的應(yīng)用。

目前鋰空氣電池常見結(jié)構(gòu)有負(fù)極、電解液、空氣極。在空氣極，由于電池反應(yīng)產(chǎn)物和電解液分解產(chǎn)物附著在電池催化劑表面，堵塞氧氣傳輸通道，使催化劑利用效率大大降低，導(dǎo)致普通鋰空氣電池?zé)o法提供足夠的能量密度。在空氣中應(yīng)用時(shí)，電解液吸收水分導(dǎo)致負(fù)極金屬鋰腐蝕，造成循環(huán)性能下降。這些問題亟待解決。

這就要求鋰空氣電池空氣極不僅能保證氧氣和鋰離子的正常傳輸，而且不堵塞電極孔隙，進(jìn)而容納更多反應(yīng)產(chǎn)物。O₂在空氣電極內(nèi)的擴(kuò)散，空氣極材料的孔容和孔隙結(jié)構(gòu)影響著鋰空氣電池的容量。多孔結(jié)構(gòu)可以為O₂擴(kuò)散提供氧氣傳輸通道，同時(shí)可以為放電過程中反應(yīng)產(chǎn)物提供存儲(chǔ)空間，提高鋰空氣電池性能。目前的研究主要集中在多孔碳材料、碳納米管、石墨烯等方面，但是其成本昂貴，不易于推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)而提出一種鋰空氣電池空氣極及其制備方法，其具有成本低廉、氧氣擴(kuò)散快、高比表面積和孔容量大的特點(diǎn)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：鋰空氣電池空氣極的制備方法，其特征在于：包括有以下步驟：

1)將濾紙沖壓或剪裁為適應(yīng)鋰空氣電池殼的形狀大小，在60～80℃烘箱中烘干12～24小時(shí)；

2)將活性材料和導(dǎo)電介質(zhì)按質(zhì)量比1～5mg：15～20mg混合，分散在水：異丙醇體積比為3:1的液體中，超聲處理30～60分鐘，得到混合均勻的懸濁液；

3)向上述混合均勻的溶液中加入100～200μl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的粘結(jié)劑，超聲處理30～60分鐘，得到均質(zhì)墨汁狀液體；

4)將烘干的濾紙片吸在勻膠機(jī)片托上，通過旋涂工藝，將步驟3）得到的均質(zhì)墨汁狀液體均勻分布在步驟1）得到的濾紙片上；

5)將均勻分布墨汁狀液體的濾紙片在60～80℃真空烘箱中烘干12～24小時(shí)，得到鋰空氣電池空氣極。

按上述方案，所述的導(dǎo)電介質(zhì)為活性碳、乙炔黑、導(dǎo)電碳或石墨。

按上述方案，所述的粘結(jié)劑為全氟磺酸-聚四氟乙烯（nafion）。

按上述方案，所述的活性材料為鈣鈦礦型鑭鍶鈷氧分級(jí)介孔納米線或具有氧電催化活性的金屬單質(zhì)、金屬氧化物、金屬氮化物。

按上述方案，所述的懸涂工藝是，先以400～600轉(zhuǎn)/分慢速旋轉(zhuǎn)15秒，在慢速旋轉(zhuǎn)過程中將100～200μl均質(zhì)墨汁狀液體逐滴滴加在濾紙片表面，后以1800～2000轉(zhuǎn)/分快速旋轉(zhuǎn)30秒。

按上述方案，所述的濾紙可以是空氣濾紙或分析濾紙；其透氣度≥300L/m²·min，濾紙的孔徑30～80微米。

一種鋰空氣電池空氣極，其為上述制備方法所得產(chǎn)物。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：由于濾紙具有比表面積大、連續(xù)孔道、孔容量大、透氣性好、吸附性好等特點(diǎn)，能保證氧氣自由擴(kuò)散，容納存儲(chǔ)反應(yīng)產(chǎn)物，減少氧氣傳輸通道堵塞，吸附水分避免負(fù)極腐蝕；并且由于懸涂工藝相對(duì)涂抹等方式能使催化材料更均勻分布在空氣極孔道，提高催化效率，提高鋰空氣電池性能。濾紙相比于碳納米管、石墨烯等空氣極材料廉價(jià)易得，制備工藝簡(jiǎn)單，有利于大幅降低鋰空氣電池成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所得空氣電極未沉積催化劑的濾紙的SEM圖；

圖2是基于本發(fā)明實(shí)施例1所得空氣電極鋰空氣電池放電前濾紙表面的催化劑SEM圖；

圖3是基于本發(fā)明實(shí)施例1所得空氣電極的鋰空氣電池放電后濾紙表面的催化劑SEM圖；

圖4是基于本發(fā)明實(shí)施例1所得空氣電極的鋰空氣電池在常壓純氧中的放電曲線；

圖5是基于本發(fā)明實(shí)施例1所得空氣電極的鋰空氣電池在常壓純氧中的容量循環(huán)圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。