[發(fā)明專利]一種鋰-氧氣二次電池正極及其制備方法、鋰-氧氣二次電池有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710173467.X | 申請日： | 2017-03-22 |
| 公開（公告）號： | CN106953101B | 公開（公告）日： | 2021-05-28 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 張新波;楊曉陽;鮑迪;徐吉靜 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 |
| 主分類號： | H01M4/86 | 分類號： | H01M4/86;H01M4/96;H01M4/88;H01M12/08 |
| 代理公司： | 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227 | 代理人： | 趙青朵 |
| 地址： | 130022 吉*** | 國省代碼： | 吉林;22 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 氧氣 二次 電池 正極 及其 制備 方法 | ||
本發(fā)明提供了一種鋰?氧氣二次電池正極，包括網(wǎng)狀的金屬材料和復(fù)合在金屬材料表面的氮摻雜碳納米管；所述金屬材料包括鐵、鎳和鐵鎳合金中的一種或多種。本發(fā)明將多孔道結(jié)構(gòu)的催化劑，通過一步法生長在金屬材料網(wǎng)的表面，得到了可彎曲、超疏水的鋰?氧氣二次電池的一體化正極材料，具有較高的孔道利用率和連通性，較強的傳質(zhì)能力，提高了充放電利用率和循環(huán)次數(shù)。而且制備方法工藝簡單，操作方便、易于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，且不需添加集流體和粘結(jié)劑，省去復(fù)雜的粉末電極制備過程，大幅的提升了鋰?空氣電池的比能量、能量利用效率和空氣正極的穩(wěn)定性。同時，在彎曲條件下具有較高的機械強度和較強的疏水性能，在可穿戴電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及鋰-氧氣二次電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋰-氧氣二次電池正極及其制備方法、鋰-氧氣二次電池，尤其涉及一種柔性、超疏水的鋰-氧氣二次電池正極及其制備方法、鋰-氧氣二次電池。
背景技術(shù)
空氣電池是化學(xué)電池的一種，構(gòu)造原理與干電池相似，所不同的只是它的氧化劑取自空氣中的氧，也稱為氧氣電池，按正極材料通常分為鋰-空氣電池，鋅-空氣電池和鋁-空氣電池等，即金屬-氧氣電池。如鋅-空氣電池就是以鋅為陰極，以氫氧化鈉為電解液，而陽極則是多孔的活性炭，因此能吸附空氣中的氧氣用以代替一般干電池中的氧化劑。
在這些金屬-氧氣電池中，鋰-氧氣電池，是以鋰作為負(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物的電池，其放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+)，Li+穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2)，并留在陰極。鋰-氧氣電池具有更高的比能，因而也受到了業(yè)內(nèi)研究人員的廣泛重視，而且由于其正極材料(以多孔碳為主)很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里，鋰-氧氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度。理論上來說，氧氣作為正極反應(yīng)物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能為5.21kWh/kg(包括氧氣質(zhì)量)，或11.14kWh/kg(不包括氧氣)。
但是要實現(xiàn)鋰-氧氣二次電池的廣泛應(yīng)用，還需要解決一系列問題，比如高過電位、放電容量低、循環(huán)壽命短等問題。目前，商業(yè)上使用的多孔碳空氣正極都是用碳材料堆積造孔得到的，孔道的利用率低、連通性差和傳質(zhì)能力差，影響放電產(chǎn)物L(fēng)i2O2的沉積，導(dǎo)致鋰-氧氣二次電池的過電位升高，充放電循環(huán)次數(shù)少。另一方面，現(xiàn)有的多孔碳空氣正極中氧還原/氧析出催化劑的負(fù)載主要還是采用機械混合的方式，不能有效發(fā)揮載體與催化劑之間的協(xié)同效應(yīng)，進一步惡化了鋰-空氣電池能量轉(zhuǎn)換效率和倍率性能。
而且近些年來，柔性能源器件如鋰離子電池、超級電容器和壓電器件的發(fā)展為可穿戴電子領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，但是其較低的能量密度，難以滿足可穿戴設(shè)備長續(xù)航能力的需求。而鋰-氧氣二次電池由于具有較高的理論能量密度而受到柔性能源器件領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，但是鋰-氧氣二次電池的正極大部分都是剛性、不可彎曲的，組裝成的鋰-氧氣二次電池器件對于復(fù)雜的扭曲形變更是難以達(dá)到，不能滿足可穿戴設(shè)備的需求。
因此，如何得到一種具有更好性能的鋰-氧氣二次電池正極材料以及鋰-氧氣二次電池，同時還能拓寬其在柔性能源器件的應(yīng)用，已成為領(lǐng)域內(nèi)諸多具有前瞻性的研究人員廣泛關(guān)注的焦點之一。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種鋰-氧氣二次電池正極及其制備方法、鋰-氧氣二次電池，本發(fā)明通過一步法，得到了一體化的鋰-氧氣二次電池正極具有較高的孔道利用率和連通性，較強的傳質(zhì)能力，提高了充放電利用率和循環(huán)次數(shù)，而且具有可彎曲的性能。
本發(fā)明提供了一種鋰-氧氣二次電池正極，包括網(wǎng)狀的金屬材料和復(fù)合在金屬材料表面的氮摻雜碳納米管；
所述金屬材料包括鐵、鎳和鐵鎳合金中的一種或多種。
優(yōu)選的，所述氮和碳的摩爾比為1：(10～20)。
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