[發明專利]多層石墨的制備方法和應用該多層石墨制備鋰空氣電池陰極的方法有效

申請號：	201310317023.0	申請日：	2013-07-25
公開（公告）號：	CN103367765A	公開（公告）日：	2013-10-23
發明（設計）人：	顧大明;李加展;彭靖;張傳明;顧碩	申請（專利權）人：	哈爾濱工業大學
主分類號：	H01M4/88	分類號：	H01M4/88
代理公司：	哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109	代理人：	侯靜
地址：	150001 黑龍***	國省代碼：	黑龍江;23
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摘要：
搜索關鍵詞：	多層石墨制備方法應用空氣電池陰極
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及一種應用于鋰空氣電池陰極的石墨材料的制備方法。

背景技術

鋰/空氣電池是一種用金屬鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。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，因此其理論上比能量為11140W?h/kg(不包括氧氣)，或5210W?h/kg(包括氧氣)。但目前其實際比能量較低，循環性能差，其主要問題在于在放電過程中陰極放電產物“鋰氧化物”會堆積在陰極表面或碳材料的孔內，堵塞輸氧通道，造成放電中斷。因此，陰極材料的研發和制備至關重要。

目前制備鋰空氣電池陰極電極選用的材料多為碳材料，不同孔徑和結構的碳材料如Super?P，介孔碳，Norit炭黑，m-30碳，石墨，石墨烯等。Xin-hui?Yang等人在2009年《Electrochemistry?Communications》中“Preparation?of?mesocellular?carbon?foam?and?its?application?for?lithium/oxygen?battery.Electrochemistry?Communications”記載了現有的陰極碳材料的比容量、表面積和孔徑對比(放電電流密度為0.1mA·cm^-2)如表1所示；

表1

由表1中的數據可知super-P表面積為62m²·g^-1，孔徑為50nm，比容量達到了1736mAh·g^-1，而活性炭表面積高達2100m²·g^-1，比容量卻僅為414mAh·g^-1，MCF-C表面積為824m²·g^-1，放電比容量為2500mAh·g^-1，從此可知放電的比容量主要與碳材料的孔徑呈現出正相關關系。

綜上碳材料做鋰空氣電池陰極，應具備如下三個特征：①合適的孔徑大小和粒子尺度能夠使氣態氧自由通過，且可以容納較多的放電產物（鋰氧化物），維持放電的進行；②較好的電導性；③較高的比表面積，并且具有氧還原活性的比表面積。

發明內容

本發明的目的是解決現有石墨材料的孔容積低和以石墨材料作為鋰空氣電池陰極的放電比容量低的問題，而提供多層石墨的制備方法和應用該多層石墨制備鋰空氣電池陰極的方法。

本發明多層石墨的制備方法按下列步驟實現：

一、按質量比為1.0︰（0.20～0.30）︰（3.5～4.5）︰（1.0～2.0）稱取石墨、高錳酸鉀、濃硫酸和乙酸作為原料；

二、將原料中的濃硫酸與乙酸混合均勻，加入高錳酸鉀溶解后再加入石墨，攪拌條件下反應20～40min，反應得到的固相物經水洗，抽濾后在60～90℃的溫度下烘干2～4h，然后再置于600～1000℃高溫惰性氣體保護下的瓷坩堝中膨脹5～20s，在膨脹過程中瓷坩堝不斷翻轉，得到膨脹石墨；

三、將步驟二得到的膨脹石墨分散于無水乙醇溶劑中，超聲分散2～4h，然后在60～90℃溫度下烘干得到多層石墨。

本發明步驟二得到的膨脹石墨的膨脹體積可達700ml/g，最終制備的多層石墨的孔容積可達98%以上，且孔結構以大孔為主,孔徑分布范圍為1～103nm，保證氣態氧的通過或放電產物的容納。

本發明應用多層石墨制備鋰空氣電池陰極的方法按下列步驟實現：

一、將粘結劑PVDF加入到有機溶劑NMP中，配成溶液A，然后向溶液A中加入多層石墨超聲分散1～5h后攪拌成膏狀，得到膏狀漿料；

二、將步驟一得到的膏狀漿料均勻涂在集流體上，然后置于真空干燥箱中以100～120℃的溫度干燥4～8h，取出后使用銃片機銃成圓形極片；

三、將圓形極片用壓片機以5MPa的壓力壓制成型，得到鋰空氣電池陰極。