[發明專利]應用于鋰空氣電池的CoO/碳復合正極催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201510071186.4
• 申請日: 2015-02-10
• 公開（公告）號: CN104659380B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 劉向峰;高睿;胡中波
• 申請（專利權）人: 中國科學院大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 羅文群

技術領域

本發明涉及一種應用于鋰空氣電池的CoO/碳復合正極催化劑的制備方法，屬于電化學技術領域。

背景技術

隨著社會的進步和科技的發展，人們對能源的需求不斷的增加。人們日益增長的能源需求和有限的能源儲備之間的矛盾日益突出。因此，開發使用高效的清潔型新能源，使之逐步取代傳統的化石資源有著重要的意義。目前，應用最廣泛的是鋰離子儲能體系。其能量密度大，循環壽命長，且有較強的環境親和性。但是，鋰離子儲能體系受到正極材料自身的限制，使其最高容量也不超過300mAh/g,而且普通正極材料鋰離子擴散系數一般為10^-8-10^-11cm²s^-1，嚴重影響其倍率性能。與傳統的鋰離子儲能體系相比，金屬-空氣電池體系可以大大的提高電池的容量，且有較高的放電平臺。以鋰空氣電池為例，其理論比容量最大可達3828mAh/g(相對于鋰),且其正極的反應物為空氣中的氧氣，因此可以大大的減少化學電源的質量，放電產物是氧氣，對空氣沒有污染，被認為是課題替代化石燃料的較為理想的化學電源。但鋰空氣電池體系的研究工作正處在起步階段，各方面都還有許多問題尚待解決。特別是正極催化劑在充放電反應中的雙向催化作用問題對于鋰空氣電池的發展至關重要。鈷基氧化物(CoO，Co₃O₄，M_xCo_3-xO₄)具有良好的空氣電池催化活性，與碳催化材料相比，一方面可以有效的催化非水體系充放電產物的生成與分解，另一方面，鈷氧化物可以大大減小充電過程中的過電勢。以CoO為例，CoO可以有效的催化放電過程中Li₂O₂的生成，有較高的電池比容量，但其導電性差，催化效率有限，充放電極化現象嚴重。因此，設計和合成新型CoO復合催化劑對于鋰空氣電池的應用開發有重要作用，也是促進其早日實現商業化的重要因素，對于合理高效利用新能源發揮著重大作用。目前主要改進方法有元素摻雜、碳材料復合、貴金屬復合等。

發明內容

本發明的目的是提出一種應用于鋰空氣電池的CoO/碳復合正極催化劑的制備方法，通過有機鈷鹽前驅體的分解，直接獲得表面含碳的CoO(CoO/碳)，將該材料作為鋰空氣電池正極催化劑，以改善正極催化材料的電化學性能。

本發明提出的應用于鋰空氣電池的CoO/碳復合正極催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)有機鈷鹽前驅體的制備：將50mL醇(乙醇、正丙醇、正丁醇)緩慢預熱至30～60℃，將4～12mmol?Co(Ac)₂·4H₂O加入溫熱的醇中，劇烈攪拌至乙酸鈷全部溶解，得到紫紅色溶液，繼續恒溫劇烈攪拌2～6小時后，緩慢降溫至室溫，陳化12～24小時，得到懸濁液，將懸濁液離心分離，得到有機鈷鹽前驅體，用醇洗滌有機鈷鹽前驅體三次，除去有機鈷鹽前驅體中殘留的乙酸鈷，置于80度烘箱中干燥12～24小時，得到粉色有機鈷鹽前驅體；

(2)將前驅體研細，以3℃～5℃/分鐘的升溫速率，在流動的氮氣保護下升溫至350～380℃，煅燒1～3小時，隨爐冷卻至室溫，得到CoO/碳復合正極催化劑。

本發明提出的應用于鋰空氣電池的CoO/碳復合正極催化劑的制備方法，，其優點是：本發明制備方法通過低溫液相法制備出催化劑前驅體，并通過嚴格控制煅燒溫度、時間和升溫速率，得到一了種CoO/碳復合正極催化劑。本發明制備方法合成工藝簡單、生產效率高、溶劑可回收再利用，適宜規模化生產。并且本發明制備方法所需要的原料易得、成本低廉、環境污染小，生產過程無需特殊防護，反應條件容易控制，所得到的產物具有產量大、結果重復性好等優點。利用本發明方法制備的CoO/碳復合催化劑化學穩定性好、比容量高、循環性能優異。與純CoO催化劑相比，催化效率更高，電池過電勢低、比容量高、倍率和循環性能方面都有明顯的提高。

附圖說明

圖1為本發明方法制備的CoO/碳(CoO/C)復合材料的X射線衍射圖(XRD)。

圖2為本發明方法制備的CoO/碳(CoO/C)復合催化劑與純CoO催化鋰空氣電池截止容量循環對比圖。

圖3為本發明方法制備的CoO/碳(CoO/C)復合催化劑與純CoO催化鋰空氣電池催化穩定性對比圖。

圖4為本發明方法制備的CoO/碳(CoO/C)復合催化劑與純CoO催化鋰空氣電池在不同倍率下的放電比容量對比圖。

具體實施方式