[發明專利]一種Co@N-C復合正極材料、制備方法及在鋰空氣電池中的應用

有效

• 申請號: 201710654249.8
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107293761B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 張治安;宋俊肖;呂曉軍;賴延清;李煌旭;焦一峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86;H01M12/08;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 魏娟

本發明公開了一種Co@N?C復合材料，其特征在于：納米鈷顆粒原位分布在摻氮碳球中。本發明還提供了一種所述復合材料的制備方法，將包含鋅鹽、聚乙烯吡咯烷酮、六氰鈷酸鹽混合溶液在低于10℃下反應，隨后經靜置純化、固液分離；將固液分離的固體冷凍干燥，得前驅體；前驅體在800℃以上的溫度下碳化，即得。本發明還包括將所述的復合材料在鋰空電池中的應用。該方法制得的Co@N?C復合材料為球形，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，具有較好的研究前景。

技術領域

本發明涉及電池材料的制備領域，具體涉及一種鋰空氣電池催化劑材料。

背景技術

人們開發并在鋰空氣電池正極材料中添加電催化劑，是為了利用其電催化能力，以加快鋰空氣電池緩慢的電極反應動力學，從而減輕鋰空氣電池在充放電過程中嚴重的極化現象。鋰空氣電池的充放電過程，涉及到氧氣的電化學反應，這一反應可以抽象成氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)兩個過程，因此對鋰空氣電池用電催化劑的研究實際上是圍繞氧氣的電催化反應進行的。目前，人們已經開發了多種多樣的鋰空氣電池正極用電催化劑材料，有貴金屬催化劑、非貴金屬氧化物催化劑、非氧化物催化劑和碳材料催化劑以及多種新型催化劑等。

過渡金屬因其資源相對較為豐富而在近些年得到了不少的關注，Fe、Co、Ni、Mn在催化領域研究非常多，包括其氧化物、硫化物等，并且其表現出了較為優異的催化性能。由過渡金屬與碳和氮形成的金屬/N/C和金屬@N-C作為一種新型催化劑在HER和ORR等催化領域成為一個熱點，其中尤其以過渡金屬Fe、Co、Ni形成的Fe@N-C、Co@N-C、Ni@N-C為典型代表，其中Co@N-C復合材料的表現較為優異。然而這種復合材料在鋰空氣電池上的應用報道較少。

例如，公開號為CN106920964A的中國專利文獻公開了一種普魯士藍類鈉離子電池正極材料，所述普魯士藍類鈉離子電池正極材料由過渡金屬元素梯度取代普魯士藍晶格中鐵氮八面體內的鐵離子，其中所述過渡金屬元素為錳、鈷、鎳、銅、鋅中任一種，且過渡金屬元素從普魯士藍晶粒內部向表面呈由低到高的濃度梯度取代普魯士藍晶格中鐵氮八面體內的鐵離子。公開號為CN106898743A的中國專利文獻公開了相類似的方法。現有方法的材料均難于在鋰空電池領域獲得良好的電學性能。

發明內容

針對現有鋰空氣電池催化劑材料存在的缺陷，本發明提供了一種Co@N-C復合材料，旨在提供一種具有優異電學性能的材料。

本發明的另一目的在于，提供了一種Co@N-C復合材料的制備方法。

本發明的第三目的在于，提供了一種Co@N-C復合材料在鋰空電池中的應用。

一種Co@N-C復合材料，納米鈷顆粒原位分布在摻氮碳球中。

本發明提供的Co@N-C復合材料，所述的Co@N-C復合材料整體呈球體；納米顆粒Co均勻地分布在多孔摻氮碳球的內部。

作為優選，所述的Co@N-C復合正極材料的粒徑為0.5～2μm。

作為優選，所述的Co@N-C復合正極材料的比表面積為200～600m²/g。

作為優選，納米Co顆粒的粒徑為50～100nm。

本發明所述的復合材料，為多孔的球狀復合材料，表面粗糙，具有較大的比表面積，為催化反應提供了更多的活性位點，增強了材料導電性，更好地發揮了Co@N-C復合材料的催化作用，使電池具有較高的充放電比容量和優異的循環穩定性能。

本發明還提供了一種所述的Co@N-C復合材料的制備方法，將包含鋅鹽、聚乙烯吡咯烷酮、六氰鈷酸鹽的混合溶液在低于10℃下反應，隨后經靜置純化、固液分離；將固液分離的固體冷凍干燥，得前驅體；前驅體在800℃以上的溫度下碳化，即得。