[發(fā)明專利]一種無定形球狀三元金屬氧化物催化劑及制備方法和應用

在審

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• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112225258A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設計）人: 曹學成;王楠;韓貞毅
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C01G51/00
• 分類號: C01G51/00;H01M4/90;H01M12/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于電池技術領域，特指一種無定形球狀三元金屬氧化物催化劑及制備方法和應用。所述的催化劑是通過控制前驅體溶液中的微量水含量，由溶劑熱反應及冷凍干燥方法，以制備得到具有無定形結構的微米球狀Mo/Co/Mn三元金屬氧化物催化劑(MoCoMn)。將得到的催化劑材料作為正極制備鋰?空氣電池，電池具有表現(xiàn)出較高的充/放電容量、良好的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。

技術領域

本發(fā)明屬于電池技術領域，特指一種無定形球狀三元金屬氧化物催化劑及制備方法和應用。

背景技術

隨著電動汽車和大型儲能系統(tǒng)的發(fā)展需求的不斷增加，具有高能量密度和長循環(huán)壽命的儲能電池技術的開發(fā)得到了全世界范圍內的廣泛關注。目前主流的鋰離子電池已經應用在了電動汽車、電子設備等眾多領域。但鋰離子電池仍然存在一定的問題，其能量密度不夠高，難以滿足像電動汽車長續(xù)航里程等要求。因此開發(fā)具有更高能量密度的下一代儲能電池體系至關重要。

鋰-空氣電池是一種以金屬鋰單質作為負極，空氣中的氧氣作為正極活性物質的一種新型電池體系。鋰-空氣電池具有理論能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)點，近幾年被科研工作者廣泛關注研究。由于鋰-空氣電池的正極活性物質氧氣是在空氣中源源不斷獲得的，電池的理論能量密度能夠達到達5.21kWh kg^-1(含氧氣)或11.14kWh kg^-1(不含氧氣)，遠高于鋰離子電池的理論能量密度(200-250Wh kg^-1)，其性能可與汽油(12.22kWh kg^-1)相媲美，因此鋰-空氣電池被認為是最具有潛力的下一代儲能電池體系。

鋰-空氣電池在發(fā)生放電反應時，鋰負極失去電子形成鋰離子，通過電解液遷移到正極，電子從外電路遷移到正極。空氣中的氧氣在正極發(fā)生還原反應，與鋰離子和電子結合生成過氧化鋰，存儲在正極的孔隙中。在充電的過程中，放電產物過氧化鋰重新分解成鋰離子和氧氣。從反應原理上來看，鋰-空氣電池的正極材料承擔了還原氧氣生成過氧化鋰和分解放電產物過氧化鋰的作用，前者和后者分別對應了氧氣還原反應(ORR)和氧氣析出反應(OER)。鋰-空氣電池的放電比容量和充/放電過電位也是受ORR和OER的動力學電催化活性控制。然而，目前鋰-空氣電池的實際比容量和能量密度遠遠低于理論值，這種差異主要是由于電池的正極緩慢的動力學過程導致的。因此，鋰-空氣電池正極應當使用具有高效ORR和OER催化活性的催化劑材料，以此來提高電池的性能。

發(fā)明內容

針對上述鋰-空氣電池的正極材料存在的技術問題，本發(fā)明針對無定形結構和多金屬兩個方面，開發(fā)了一種微量水溶劑熱法，制備出了無定形球狀Mo/Co/Mn三元金屬氧化物催化劑材料，并將此應用到鋰-空氣電池正極。

無定形氧化物材料是由內部沒有有序排列的分子尺寸的團簇構成的，是近年來被研究報道的一種新型電催化劑材料。由于其特殊的無定形結構，催化劑材料的表面能夠暴露出更多的缺陷，而這些缺陷可以成為電化學反應的催化活性位點，并且活性位點的分布更加均勻。同時，有研究表明無定形結構具有較好的電化學穩(wěn)定性，能夠在電催化反應過程中保持結構的穩(wěn)定性。此外，根據(jù)文獻報道，多金屬氧化物催化劑中的各個金屬之間的協(xié)同效應對催化劑表面電子結構能夠進行有效的調控，進一步增強催化劑的活性。

本發(fā)明的具體技術方案如下：

1.無定形MoCoMn三元金屬氧化物催化劑的制備：