[發明專利]一種包覆碳空氣電極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810972331.X
• 申請日: 2018-08-24
• 公開（公告）號: CN109273726A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 龍劍平;胡安俊;舒朝著;候志前;梁冉曦;李嘉寶
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 陳治位

本發明涉及電極領域，具體而言，涉及一種包覆碳空氣電極材料及其制備方法和應用。通過采用MoS₂包覆碳納米管，不僅可以提高CNTs的化學穩定性，而且對ORR和OER表現出良好的催化活性，不會降低CNTs的高電導率。該MS?CNTs陰極顯示出高的比容量和低的充電電位，以及優異的循環性。這種包覆結構還較好地抑制了CNTs與電解質和放電產物之間的接觸。這樣一種獨特的結構為實際工業制造提供了高放電容量、良好的循環穩定性，簡單，低成本以及其他類似的包覆結構的制備和設計提供了方案。

技術領域

本發明涉及電極領域，具體而言，涉及一種包覆碳空氣電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

能源危機和環境污染是現代社會面臨的兩大挑戰。從持續發展的角度來看，世界各國急需加緊探索綠色環保的可再生新能源。但是由于這些可再生能源不能連續和穩定地應用于日常生活中，所以需要設計和開發相應的能量存儲系統，使其變成可供人們持續利用的能源。在各種不同的電存儲系統中，二次電池被認為是一種最有效、簡單、可靠的系統，它可以直接實現電能和化學能的相互轉換。目前應用最廣泛的是鋰離子電池，但是低的能量密度(理論值約400Wh/kg)限制了其在下一代高性能儲能系統中的應用。而金屬-空氣電池具有開放結構，參與正極反應的活性物質——氧氣能持續從周圍的空氣獲得，不需要儲存在電池中，因而具有非常高的理論能量密度。

其中，鋰-空氣電池的理論能量密度高達3505Wh/kg(基于)，是目前商品化鋰離子電池能量密度的10倍多，被認為是最具發展潛力的能量存儲系統之一，吸引了基礎研究及應用領域的廣泛關注。

雖然圍繞鋰-空氣電池進行了大量的研究工作，但是很多關鍵問題仍未得到徹底解決。在鋰-空氣電池放電和充電過程中，正極的氧還原和氧析出反應高的過電位大大降低了電池的能量效率和循環性能，導致其還不能滿足商業化能量存儲系統的需求。大量的研究結果表明，催化劑的加入可以有效地降低空氣電極反應過電位，進而改善電池性能。因此，高效、穩定、廉價的催化劑的開發對鋰-空氣電池的發展有著至關重要的作用。

目前在LABs中應用最為廣泛的催化劑是碳基材料(如碳納米管CNTs)，但其不穩定性、對Li₂O₂差的催化活性和促進電解質分解等問題導致LABs的循環性能顯著降低，這使得碳基材料不是LABs的理想陰極的選擇。因此，構建穩定和可逆的碳陰極或者尋找替代陰極來避免涉及碳基材料的副反應是首要任務。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種包覆碳空氣電極材料及其制備方法和應用。

為了實現上述目的，本發明實施例采用的技術方案如下：

一種包覆碳空氣電極材料的制備方法，將經表面官能化的碳納米管/十二烷基苯磺酸鈉溶液超聲處理后，與鉬酸銨、硫脲進行水熱反應，控制水熱反應溫度200℃，加熱反應時間24～36h，過濾洗滌、真空烘干制得硫化鉬包覆碳納米管的包覆碳空氣電極材料，其中碳納米管的表面官能化是在550～600℃的惰性氣體環境退火，再在70％w/w的硝酸中處理，真空干燥過夜。

一種包覆碳空氣電極材料的制備方法，包括以下步驟：將經表面官能化處理的碳納米管與分散劑混合均勻后，與用于制備硫化鉬的硫源材料在180～220℃水熱反應24～36h后，洗滌、真空干燥；其中，官能化處理是將碳納米管在惰性氣體環境退火和/或將碳納米管進行酸性處理。

一種包覆碳空氣電極材料，采用如上述的包覆碳空氣電極材料的制備方法制得。

一種如上述的包覆碳空氣電極材料在鋰空氣電池中的應用。

本發明的有益效果是：