[發明專利]一種具有核殼結構的碳化鉬/碳復合材料及其制備方法和在鋰空氣電池中的應用

有效

• 申請號: 201710639978.6
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107464938B
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 張治安;宋俊肖;呂曉軍;賴延清;陳曉彬;焦一峰;李煌旭;李天偉
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 43114 長沙市融智專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種具有核殼結構的碳化鉬/碳復合材料及其制備方法和在鋰空氣電池中的應用。該復合采用具有核殼結構，內核和外殼均由表面多孔的碳化鉬摻雜碳材料構成，其制備方法是將鉬酸鹽溶液與樹脂溶液混合，得到懸浮液，所述懸浮液通過溶劑熱法合成球形前驅體；所述球形前驅體置于保護氣氛中，在高溫下進行熱處理，即得導電性能好、比表面積大及催化活性高的碳化鉬/碳復合材料，將其用作鋰空氣電池催化劑材料具有較低的過電位，高比容量以及優異的循環性能，且其制備方法簡單，成本低廉，具有廣闊的工業化應用前景。

技術領域

本發明涉及一種新型鋰空氣電池催化劑材料及其制備方法，特別涉及一種具有核殼結構及表面多孔的碳化鉬/碳復合材料及制備方法，以及其作為催化材料在鋰空氣電池中的應用，屬于鋰空氣電池領域。

背景技術

鋰離子電池作為一種占據社會主導地位的電化學儲能器件，已經在便攜式電子產品(筆記本電腦，智能移動裝備，平板電腦等)中取得了快速發展，同樣在電動汽車領域也表現出良好的發展前景。國內汽車行業擁有巨大的市場，人們對電動汽車的基本要求是一次充電能行駛500km，這就要求應用于電動汽車的鋰離子二次電池的能量密度必須超過500Whkg^-1。然而，受到正負極材料自身理論儲鋰容量(如石墨為372mA h/g，鈷酸鋰為274mA h/g，磷酸鐵鋰為176mA h/g)的限制，目前商業化鋰離子電池——傳統鋰離子二次電池(充放電過程中，正負極材料分別發生鋰離子的脫出或嵌入)的能量密度已經很難在現有的基礎(200～250Wh/kg)上取得較大的突破。因此，對于新型鋰離子二次電池體系的開發勢在必行。近年來，對新型鋰離子二次電池體系的研究已逐漸成為鋰離子電池領域的研究熱點。在各種新型鋰離子二次電池(鋰空氣電池，鋰硫電池、鋰硒電池等)中，鋰空氣電池憑借其極高的能量密度(對應金屬鋰為11400Wh kg^-1，對應Li₂O₂為3458Wh kg^-1，實際能量密度估計可達800Wh kg^-1)引起了人們的極大關注，并成為最具發展潛力的一種新型鋰離子二次電池。

鋰空氣電池中比較重要的是其催化材料，在現有的各種非氧化物催化劑材料中，金屬碳化物是比較有應用前景的一種。金屬碳化物在最近一段時間才被人們提出可以用作鋰空氣電池正極電催化劑。Jiaxin Li等(J.Mater.Chem.A,2014,2(27):10634-10638.)通過向用于靜電紡絲的聚丙烯腈原液中添加草酸亞鐵的方法，利用靜電紡絲和碳化結合的工藝，制備了負載有Fe/Fe₃C的碳纖維，由于Fe₃C的存在，復合材料作為鋰空氣電池正極材料時，有效地降低了電池的充放電過電位，并提升了電池的循環性能。但該制備方法過程復雜，難以實現工業生產。

上述碳化物應用于鋰空氣電池等方面時表現出良好的性能，但其制備方法大多存在合成條件苛刻，形貌和材料均勻度不易控制的缺點；碳化鉬作為一種新型的過渡金屬碳化物因其在催化方面良好的性能而得到廣泛關注，其作為鋰空氣電池催化劑材料的研究值得探索。

發明內容

針對現有鋰空氣電池催化劑材料存在的缺陷，本發明的第一個目的是在于提供一種具有核殼結構，表面多孔，且具有導電性能好、比表面積大及催化活性高等優點的碳化鉬/碳復合材料。

本發明的另一個目的是在于提供一種工藝簡單、成本低廉、環境友好的上述材料的制備方法。

本發明的第三個目的是在于提供一種碳化鉬/碳復合材料作為鋰空氣電池催化劑材料的應用，應用其制備的鋰空氣電池具有較低的過電位、較高的充放電比容量和優異的循環穩定性能。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種具有核殼結構的碳化鉬/碳復合材料，該復合材料具有核殼結構，內核和外殼均由表面多孔的碳化鉬摻雜碳材料構成。