[發明專利]鋰空氣電池正極及其制備方法

有效

• 申請號: 201310524508.7
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103560256A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 魏進平;張彰;周震
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種含新型催化劑的鋰空氣電池正極及其制備方法，屬于電化學催化的技術領域。

背景技術

由于鋰空氣電池具有比能量高，無污染，成本低等眾多優點，被認為是最具前景的二次電池。隨著現代制造技術的發展，鋰空氣電池相對其它的儲能系統在電子設備、通訊裝置等領域將得到廣泛的應用。但是由于鋰空氣電池本身存在許多難題，例如充放電效率低，循環性能不足，充電過電壓過高等缺點，同時氧氣的還原反應在鋰空氣電池中也是一個緩慢的反應，使得鋰空氣電池在實際應用中受到很大的限制。不同的催化劑對鋰空氣電池的性能影響很大，提高鋰空氣電池正極的催化活性，可以很大程度上提高鋰空氣電池的比容量，以及提高電池的循環性能。鋰空氣電池正極催化劑大體包括以下幾類：高比表面積和高孔容的碳材料，特別是石墨烯(Chem.Commun.，2011，47，9438)以及碳納米管(J.Electrochem.Soc.，2010，157，A953)在鋰空氣電池方面表現出良好的性能；傳統的過渡金屬氧化物，這些材料價格低廉以及對環境友好，在作為催化劑方面具有較大的優勢，最近Nazar等就運用Co₃O₄與石墨烯的復合物作為催化劑(Angew.Chem.Int.Ed.，2012，3，532)，在鋰空氣電池方面取得較大的進展；雖然上述這些催化劑都能表現出較好的性能，但是相對一些具有高催化活性的貴金屬(J.Am.Chem.Soc.，2010，132，12170)來說，正極的充電過電壓和循環效率上的問題還需要進一步改善。因此本發明的特點在于提供一種含高效催化劑的鋰空氣電池正極，降低充電過電壓，提高電池的循環性能和充放電比容量，加快鋰空氣電池的推廣應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰空氣電池正極及其制備方法，它是一種含高效催化劑的鋰空氣電池正極，通過反應將金屬的納米顆粒高分散在碳納米片上形成金屬／碳復合材料，將金屬／碳復合材料作為鋰空氣電池正極的催化劑，提高正極的催化活性，改善鋰空氣電池的循環穩定性，在300mA／g電流密度下，電壓范圍為2～4.3V，首次放電容量可達5000mAh／g，循環50周時正極性能非常穩定。

本發明提供的一種鋰空氣電池正極材料的質量組成：

催化劑為5-30％

碳材料為40-80％

粘結劑為5-30％。

所述的催化劑為金屬納米顆粒(20-60nm)高分散在微米級的碳片上的復合材料(例如Co／C復合物，整體作為一種催化劑)。

所述金屬納米顆粒為鈷、鎳、銅、鋅、錳、鉻、鉬、釩或釔。

所述碳材料用于導電劑和放電產物的載體，一般為乙炔黑、超導炭黑、碳纖維、石墨烯、超導炭黑、科琴黑、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩一種或兩種以上任意比例的混合物。

所述粘結劑為聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、聚乙二醇(PVA)和丁苯樹脂(SBR)一種或兩種以上任意比例的混合物。

本發明提供的一種鋰空氣電池正極的制備方法包括下述步驟：

1)按計量將催化劑、碳材料和粘結劑加入氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑中混合均勻，磁力攪拌0.5-2小時得到混合物；

2)將上述混合物直接涂抹于集流體泡沫鎳之上，80-100度干燥1-5小時得到空氣正極極片。

金屬納米顆粒高分散在碳片上的催化劑(材料)的制備方法包括下述步驟：該材料采用溶膠凝膠方法合成，步驟為：氯化鎳或氯化鈷，尿素，檸檬酸，溶于蒸餾水，乙醇，60-75℃下均勻攪拌1-3h，烘箱中100℃干燥10-12h；取出樣品，在氬氣環境下先350-400℃下進行預燒4-6h，之后在600-650℃下進行煅燒10-15h，從管式爐中取出，即可制得金屬／碳復合材料催化劑。(催化劑中的碳片來自于檸檬酸碳源，由無定形碳與石墨碳所組成。)

本發明的優點是：將金屬納米顆粒與微米級碳片的復合材料應用于鋰空氣電池正極，該正極表現出較高的比容量和優異的循環穩定性，在300mA／g電流密度下，電壓范圍為2～4.3V，首次放電容量可達5000mAh／g，循環50周時正極性能非常穩定，金屬納米顆粒與碳材料的復合材料在鋰空氣電池領域具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為Co／C復合材料的XRD圖。

圖2為Co／C復合材料的TEM圖。

圖3為催化劑分別為純科琴黑(KB)、科琴黑加Co／C復合材料的鋰空氣正極首周放電性能比較。