[發明專利]一種金屬空氣電池陰極材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202110064605.7
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112909269A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 李小鵬;林超
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

本發明提供一種氮摻雜碳負載的高分散鈷基催化劑的制備方法。本發明進一步提供一種基于制備方法的氮摻雜碳負載的高分散鈷基催化劑及其在金屬空氣電池中作為金屬空氣電池陰極材料的用途。本發明還提供一種金屬空氣電池及其制備方法。本發明提供的一種金屬空氣電池陰極材料的制備方法及其應用，制備的Co/NS催化劑可作為金屬空氣電池陰極材料，用于非對稱電解質的液相金屬?空氣電池中，解決現有非對稱電解質金屬空氣電池種類少，使用壽命短的問題，其制備的金屬空氣電池具有優異的電池放電性能和長周期循環穩定性。

技術領域

本發明屬于金屬空氣電池的技術領域，涉及一種金屬空氣電池陰極材料的制備方法及其應用，具體涉及一種酸性穩定的金屬空氣電池陰極材料的制備方法及其在金屬空氣電池(MAB)特別是非對稱電解質金屬-空氣電池中的應用。

背景技術

通過在整個電力價值鏈中提供服務，電力存儲將在未來的能源系統中發揮核心作用。因此，開發高安全性、低成本、高能量密度和環境友好的先進電池的需求是巨大的。具有高理論比能量密度的金屬空氣電池(MAB)是理想的選擇，在從電網側電池儲能電站到個人電子產品的各種應用領域中均顯示出了巨大的潛力。在環境友好的堿性水溶液中使用高豐度的廉價金屬如Fe、Zn、Si和Sn的MAB，由于其高耐濕性、不易燃性、良好的材料回收性以及易于制造，最近受到了人們的關注。

然而，以堿性水溶液作為電解質仍面臨諸多挑戰：標稱電壓偏低，空氣中二氧化碳將持續性的引起堿性電解質的降解，與此同時，不溶性的碳酸鹽產物也會導致空氣電極的孔道堵塞。相對于傳統水相金屬空氣電池，非對稱電解質金屬空氣電池(AMAB)可有效的解決上述所有問題。在AMABs中，酸性陰極電解液(例如磷酸，硫酸)和堿性陽極電解液(例如氫氧化鉀，氫氧化鈉)通過固態離子選擇性電解質有效分隔。與空氣直接聯通的陰極酸性電解液并不會與CO₂發生反應，因此在空氣中十分穩定。更重要的是，相對于傳統的堿性電解質環境，在酸性條件下的析氧反應(ORR)具有更高的標準還原電勢。這一特性大大提升了非對稱電解質金屬空氣電池的工作電壓。以非對稱電解質鋅-空氣電池為例，其理論放電電壓可高達2.48V(傳統鋅-空氣電池僅為1.65V)。然而，由于缺乏具有成本效益的固態離子選擇性導通膜和酸性環境穩定的雙功能電催化劑，已報道的AMABs的成本和性能遠遠沒有達到商業化標準。

目前，絕大部分在堿性條件下穩定的金屬空氣電池陰極材料在酸性環境中均會由于活性位點的氧化與腐蝕導致催化劑迅速失活，大大影響了非對稱電解質金屬空氣電池的長周期穩定運行。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種金屬空氣電池陰極材料的制備方法及其應用，以解決現有非對稱電解質金屬空氣電池種類少，使用壽命短的問題。其制備的金屬空氣電池陰極材料能夠在酸性電解質環境下能穩定運作，以解決陰極材料在酸性電解質環境下穩定性差的問題，具有長壽命。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種氮摻雜碳負載的高分散鈷基(Co/NS)催化劑的制備方法，包括以下步驟：

1)提供混合溶液進行水熱反應后，干燥獲得固體產物A，所述混合溶液包括N-甲基吡咯烷酮的甲醇溶液、二甲基咪唑、鋅鹽、鈷鹽；

2)將固體產物A與有機溶劑混合后，加入NaCl飽和鹽溶液進行攪拌反應，過濾、干燥、焙燒、冷卻，獲得固體產物B；

3)將固體產物B與水混合后，過濾、干燥，以提供催化劑。

優選地，步驟1)中，所述N-甲基吡咯烷酮的甲醇溶液中，所述N-甲基吡咯烷酮與甲醇的體積之比為1：0.9-1.1，優選為1：1。

優選地，步驟1)中，所述鋅鹽選自硫酸鋅、乙酸鋅、硝酸鋅或氯化鋅中的一種。

優選地，步驟1)中，所述鈷鹽選自硫酸鈷、乙酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷中的一種。