[發(fā)明專利]一種鋰空氣電池正極用納米氮化鐵-碳復(fù)合催化劑及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103794806A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張治安;陳巍;汪建軍;包維齋;甘永青;賴延清;李劼
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 魏娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，涉及一種鋰空氣電池正極用納米氮化鐵-碳復(fù)合催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能量的需求越來越高，而傳統(tǒng)化石燃料能源的不可再生性和化石燃料燃燒帶來的污染問題則日益突出，新能源技術(shù)的開發(fā)已逐漸成為人類的關(guān)注焦點和研究熱點。近幾十年來，隨著鋰離子電池在商業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，人們加大了對以鋰為基礎(chǔ)的高性能化學(xué)電源的研究。

鋰空氣電池由于非常高的能量密度，成為最具潛力的未來新一代儲能電源。鋰空氣電池是以金屬鋰為負(fù)極，多孔電極為正極，氧氣作為正極活性物質(zhì)的一種電池體系。放電過程中，氧氣由外界進入電池，在催化劑作用下與從負(fù)極經(jīng)外電路流過來的電子和經(jīng)電解液傳輸過來的Li+發(fā)生電極反應(yīng)，生成以過氧化鋰（Li2O2）為主的產(chǎn)物，并釋放能量。理論上，氧氣作為正極反應(yīng)物不受限制，電池的容量僅取決于鋰電極，其理論比能量高達(dá)11680Wh/kg，接近于傳統(tǒng)化石燃料的能量密度(13000Wh/kg左右）。因此，鋰空氣電池被認(rèn)為是下一代動力汽車的首選動力源，成為目前備受關(guān)注的能量轉(zhuǎn)換體系。

鋰空氣電池的概念早在二十世紀(jì)70年代就已經(jīng)被人提出，但是由于循環(huán)過程中電解液的分解，充放電庫倫效率低，循環(huán)性能差等致命缺陷限制了鋰空氣電池的發(fā)展，以至于其至今尚未普及。鋰空氣電池充放電過程中嚴(yán)重的極化現(xiàn)象則是造成這些缺陷的根本原因。作為鋰空氣電池的關(guān)鍵材料之一，一種電催化性能優(yōu)異，穩(wěn)定性高，導(dǎo)電性好，比表面積大的電催化劑，能有效降低鋰空氣電池充放電過程中的極化，從而抑制電解液分解，提高鋰空氣電池充放電效率，提高電池循環(huán)壽命。因此，開發(fā)和設(shè)計新型的空氣正極催化劑材料，對鋰空氣電池的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義

目前，鋰空氣電池領(lǐng)域使用的催化劑主要包括貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑和金屬氮化物催化劑等。由于鋰空氣電池充放電過程中，正極電極反應(yīng)主要發(fā)生在界面，因此鋰空氣電池除了要求催化劑材料本身擁有高效及穩(wěn)定的性能外，還要使催化劑擁有更大的比表面積和更高的導(dǎo)電性，才能使催化劑的催化性能得到全面的發(fā)揮。Yi-Chun?Lu(Journal?of?the?American?Chemical?Society，2010，132，12170-12171)等人的研究發(fā)現(xiàn)，金鉑合金為催化劑時，鋰空氣電池在0.04mA/cm2的電流密度下，其平均充電電位由未添加催化劑時的4.5V，下降到3.6V，電池性能也得到很大提升。但是由于貴金屬催化劑價格昂貴，很難得到大規(guī)模的應(yīng)用，研究者們在尋找廉價優(yōu)秀的催化劑以替代貴金屬催化劑時，發(fā)現(xiàn)氧化鎳、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷等廉價的過渡金屬氧化物擁有良好的催化能力。Peter?G.Bruce(J.Power?Sources，2007，174，1177-1182)等人以Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co₃O₄、NiO、CuO、CoFe₂O₄等過渡金屬氧化物為鋰空氣電池正極催化劑進行研究，發(fā)現(xiàn)Fe₃O₄、CuO和CoFe₂O₄有效降低了電池的充電電位。Yan?Qin(Energy?Environ.Sci.，2013，6，519-531)等研究了α-MnO₂的催化能力，研究結(jié)果表明，α-MnO₂能有效降低材料的充電電位，提升電池性能。但是此類材料導(dǎo)電性較差的缺點限制了其性能的進一步提升，同時催化氧生成反應(yīng)過程的能力仍顯不足。

綜上所述，本領(lǐng)域急需開發(fā)一種原料來源廣泛，工藝簡單，成本低，適合于大規(guī)模生產(chǎn)的鋰空氣電池用納米氮化物-碳復(fù)合催化劑及其制備工藝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鋰空氣電池正極用介孔納米氮化鐵-碳復(fù)合催化劑，可顯著降低成本，能有效提高材料的導(dǎo)電性，使得氮化鐵催化劑的催化性能得到全面提升，從而能有效降低鋰空氣電池充放電極化，提高電池的倍率性能。

本發(fā)明的另一目的旨在提供上述鋰空氣電池正極用介孔納米氮化鐵-碳復(fù)合催化劑的制備方法，其原料來源廣泛，工藝簡單、操作方便、成本低廉的，適合于大規(guī)模生產(chǎn)的鋰空氣電池用納米氮化物-碳復(fù)合催化劑的工藝方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：