[發明專利]一種低極化鋰-空氣電池正極催化材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710113135.2
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106848340B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 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: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M12/08
• 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

本發明涉及一種低極化鋰?空氣電池正極催化材料的制備方法，屬于電化學技術領域。本方法合成工藝簡單、生產效率高、同步法的引入大大的提高了貴金屬在碳材料表面的分散性，減少了貴金屬用量，有利于控制成本規模生產。并且本發明方法操作簡單，反應條件容易控制，結果重復性好。利用本方法制備的低極化鋰?空氣電池正極催化材料成本低、化學穩定性好、比表面積大，催化活性高，組裝成的電池比容量高、極化低，倍率性好。與純碳材料催化劑相比，催化效率顯著，電池過電勢低、比容量提高8倍、倍率和循環性能方面都有明顯的提高。

技術領域

本發明涉及一種低極化鋰-空氣電池正極催化材料的制備方法，尤其涉及一種低極化、高倍率性能、高穩定性鋰-空氣電池正極催化材料的制備方法，屬于電化學技術領域。

背景技術

隨著現代人類社會的發展，能源與環境問題日趨嚴峻，已經成為了阻礙現代科技發展與人類生活水平提高的重要障礙。現有的能源體系大多以石化能源為主，然而隨著石化能源的逐漸枯竭和使用化石燃料所造成的氣候問題日益嚴重化。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。在所有二次電池體系之中，鋰空氣電池是目前大家公認的可以替代化石燃料的新型化學電源體系，其理論能量密度為現有鋰離子電池的5-10倍，相對于金屬鋰來說，能量密度可達11140Wh/Kg，而且其正極反應物為空氣中的氧氣，不會排放溫室氣體，相對于鋰離子電池，其重金屬使用量減少，被認為是替代化石燃料的較為理想的化學電源，同時更符合動力電池的要求。雖然鋰空氣電池經歷了將近10年的實驗室研究，也取得了許多重大的成就，但各方面都還有許多問題尚待解決。這其中，對于鋰空氣電池發展的最大阻礙之一就是正極催化劑在充放電反應中雙向催化動力學緩慢的特點。緩慢的動力學過程直接導致了空氣電池重放電極化大，循環性能低、倍率性能差、同時長期在高電壓下充電容易使電解液和導電劑分解、副產物增加，從而影響電池的使用壽命。在眾多的鋰空氣電池催化材料中，貴金屬催化劑(金，鉑，釕，鈀等)性質穩定，催化活性高，可以顯著的減少充放電過電位，提高電池效率和倍率性能。文獻報道，在使用貴金屬催化的條件下可以使充放電過電勢減小到1V一下。一方面，較小的極化可以提高能源利用率，節約能源；另一方面，減小極化使電池在低電位下進行充電可以有效的避免由于高電位而造成的電解分解，從而減小副產物的產生，提高電池的壽命。然而，使用貴金屬催化劑最主要的問題是其價格昂貴，過高的成本使得這些催化劑并不能大規模商業化。因此，設計和合成低含量貴金屬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，對于合理高效廉價利用新能源發揮著重大作用。為了降低保證貴金屬催化劑的良好效果，同時減少催化劑的使用成本，目前主要有如下幾種方法進行改進。其一，開發貴金屬合金，將貴金屬與價格較低的金屬按一定的比例制成合金，恰當的新型合金的配比會使得在保證價格降低的同時，增加催化的選擇性和提高催化的活性。其二，同等條件下提高催化劑的活性位點，將催化劑盡可能均勻的負載在載體上，最大效率使用每個原子。第三，選擇性合成暴露高催化活晶面的貴金屬納米顆粒。

發明內容

本發明的目的是提出一種低極化鋰-空氣電池正極催化材料的制備方法，通過同步還原法得到的碳材料負載貴金屬催化劑，貴金屬與基體界面作用加強，可以顯著改善正極催化材料的電化學性能(循環容量、倍率性能等)，而且該制備方法具有工藝簡單、產物易于分離、成本低的特點，貴金屬含量降低，更適合控制成本規模生產。

本發明提出的低極化鋰-空氣電池正極催化材料的制備方法，包括以下步驟：