[發(fā)明專利]以羥基氧化鈷為催化劑的鋰空氣電池正極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610248173.4
• 申請(qǐng)日: 2016-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN105870466B
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳云貴;蔡生容;朱丁;黃利武;王曉飛;母仕佳;張開放
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司51202
• 代理人: 呂建平,周敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種以羥基氧化鈷為催化劑的鋰空氣電池正極及其制備方法

背景技術(shù)

羥基氧化鈷(CoOOH)常常作為制備Co₃O₄的前驅(qū)體，可以直接燒結(jié)制備出Co₃O₄，與碳酸鋰混合燒結(jié)時(shí)可以制備鈷酸鋰。目前，有將CoOOH用在鎳氫電池中改善氫氧化鎳的導(dǎo)電性，也可直接作為鋰離子電池負(fù)極材料、超級(jí)電容器的電極材料等。但目前尚無(wú)有關(guān)其在鋰空氣電池中的催化性能研究報(bào)道。

鋰空氣電池具有高達(dá)11428Wh kg^-1的理論能量，不僅遠(yuǎn)高于各類常用或概念性電池，且非常接近石油的理論能量值(13000Wh kg^-1)，由于正極的活性物質(zhì)為空氣中的氧氣，無(wú)需額外裝備儲(chǔ)存，不僅電池重量大大減少，而且對(duì)環(huán)境沒有污染。鋰空氣電池通常由負(fù)極鋰片、電解液、隔膜、正極(空氣極)組成。放電過(guò)程(ORR)中，空氣極上沉積產(chǎn)物過(guò)氧化鋰(Li₂O₂)。由于緩慢的ORR動(dòng)力學(xué)性能，使得電池的放電容量相對(duì)較低。在充電過(guò)程(OER)中，過(guò)氧化鋰(Li₂O₂)分解成氧氣和金屬鋰，但反應(yīng)較難發(fā)生，充電電位高，分解不完全，導(dǎo)致電池的循環(huán)穩(wěn)定性差。要想真正實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的實(shí)用化，就必須解決其容量低，極化大，循環(huán)性能差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種以羥基氧化鈷為催化劑的鋰空氣電池正極，以提高鋰空氣電池的放電容量，降低電池極化，并提高電池循環(huán)次數(shù)；本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供制備上述鋰空氣電池正極的制備方法，實(shí)現(xiàn)所制備的鋰空氣電池正極能夠提高鋰空氣電池的放電容量，降低電池極化，提高電池循環(huán)次數(shù)。

針對(duì)本發(fā)明的第一個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明提供的以羥基氧化鈷為催化劑的鋰空氣電池正極，由正極基體材料和涂覆于正極基體材料上的正極材料涂層構(gòu)成，所述正極材料涂層的組成組分以質(zhì)量百分比計(jì)，包括5％～40％的催化劑組分羥基氧化鈷，50％～90％的碳材料和余量的粘接劑。

在上述鋰空氣電池正極中，所述正極基體材料優(yōu)先選擇泡沫鎳或碳紙。

在上述鋰空氣電池正極中，所述碳材料優(yōu)先選擇導(dǎo)電碳黑、碳納米管、石墨烯和多孔碳中的一種。

在上述鋰空氣電池正極中，所述粘接劑優(yōu)先選擇聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

在上述鋰空氣電池正極中，所述羥基氧化鈷的含量最好控制在10％～30％范圍。

在上述鋰空氣電池正極中，所述鋰空氣電池正極基體上的碳材料含量一般不低于0.5mg/cm²；最好控制在0.5～1.3mg/cm²范圍。

針對(duì)本發(fā)明的第二個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明提供的上述鋰空氣電池正極的制備方法，將配方量的羥基氧化鈷、碳材料混合研磨，將粘接劑溶于溶劑中得到粘接劑溶液，將充分混合研磨得到的混合料與粘接劑溶液混合形成分散均勻的漿料，將分散均勻的漿料涂覆在正極基體材料上，烘干后壓制成鋰空氣電池正極片。

在上述鋰空氣電池正極的制備方法中，所述溶劑最好選自N-甲基吡絡(luò)烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、去離子水。溶劑的用量以使粘接劑完全溶解并使混合料中的碳材料和羥基氧化鈷均勻分散形成漿料為限。其中，粘接劑為聚四氟乙烯時(shí)通常以去離子水為溶劑。

在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，用作粘接劑的聚四氟乙烯通常以溶液狀態(tài)為商品狀態(tài)，在用于本發(fā)明時(shí)，作為粘接劑的聚四氟乙烯投料用量以溶液中聚四氟乙烯的質(zhì)量為準(zhǔn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明將CoOOH用作鋰空氣電池正極催化劑，為鋰空氣電池提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，促使正極產(chǎn)物(Li₂O₂)的形成和分解，并且能夠促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移，從而發(fā)揮高效的催化效果，提高了鋰空氣電池的放電容量，提升了放電電壓平臺(tái)，降低充電電壓平臺(tái)，降低電池極化，并提升了電池循環(huán)次數(shù)(見實(shí)施例1)。

2、CoOOH的合成制備工藝比較成熟，通過(guò)簡(jiǎn)單的一步沉淀法就能夠制得，用作鋰空氣電池的催化劑成本低，并且用于制備正極材料時(shí)也能通過(guò)較簡(jiǎn)單的方法負(fù)載在電極材料上，整個(gè)工藝成本低，簡(jiǎn)單易操作，且催化效果顯著，因此適于工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1和對(duì)比例1中鋰空氣電池在電流密度為100mA/g時(shí)的首次充放電曲線。