[發明專利]一種具有金屬空氣電池自催化活性的過渡金屬摻雜型化合物

有效

• 申請號: 202110543667.6
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113270598B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 孫根班;袁萌偉;孫澤民
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y30/00;H01M12/06;H01M12/08
• 代理公司: 北京中知星原知識產權代理事務所(普通合伙) 11868
• 代理人: 艾變開;王維佳

本發明涉及一種具有金屬空氣電池自催化活性的過渡金屬摻雜型化合物，化學式表達為Msubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中M為過渡金屬，N為第一、第二主族金屬，0x≤0.1,0.90≤y1.00，所述過渡金屬摻雜型放電產物以納米片陣列形式均勻原位生長在正極上，金屬M均勻地分散在N的過氧化物中。本發明借助于電池反應原位合成Msubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;Osubgt;z/subgt;材料，并構建自催化電池體系，表現出非常優異的性能，使充放電過程中的過電勢極大降低，并且大幅度的提高了電池運行的穩定性。本發明具有自催化性能的鋰空氣電池制備簡單，其催化活性的物質是在電池充放電過程中產生的Co摻雜的過氧化物，不需要單獨制備，采用商業化的成本低廉的原料即可完成制備，具有產業上的優勢。

技術領域

本發明屬于領域金屬空氣電池以及無極催化劑材料領域，具體涉及一種具有金屬空氣電池自催化活性的過渡金屬摻雜型化合物及其制備方法。

背景技術

進入21世紀以來，現代社會迅速發展，人類對能源的需求與日俱增。而傳統化石能源的大量使用導致了許多環境問題，比如溫室效應、霧霾等。因此，能源問題受到了廣泛的關注，在全球范圍掀起研究熱潮，新型綠色能源的開發和有效利用日益成為當前的研究重點和熱點。據報道，汽車和輕型卡車所消耗的化石能源高達34％，是空氣污染物的主要來源之一。現代汽車工業已逐漸朝向清潔能源的純電動汽車、混合動力型汽車等新能源汽車方向發展。車用動力電源的必備條件是：高功率、高能量密度、高安全性、強的環境適應性。傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等存在質量大和比能量小的問題(50Wh/kg)；燃料電池不但成本高，而且存在安全隱患；現有的鋰離子電池在可移動電子設備和動力電池中有了部分應用，但是其能量密度依然較小，無法滿足動力設備對能源進一步需求。此外，據統計2018年底，電化學儲能規模1.073GW；2019年底為1.92GW；預計到2022年，電化學儲能規模將突破10GW；2023年將接近20GW。當前5G基站能耗翻倍增長，且呈現小型化、輕型化趨勢，需要能量密度更高的儲能系統，對電源系統擴容升級要求。因此，金屬空氣電池應運而生，尤其是鋰空氣電池(能量密度約為11400Wh/kg)，具有接近汽油的能量密度，被視為極有潛力的一類電池體系。

雖然金屬空氣電池具有超高的理論比容量和能量密度，但是其充放電過程中的高過電勢嚴重的影響了電池的循環穩定性和能量效率，很大程度的限制了它的實際應用。眾多的研究成果顯示，在正極中引入催化劑會使得金屬空氣電池的電池性能大幅度提高。就目前的研究結果來看，性能較好的是貴金屬這一類催化劑，例如Pt，Pd，Ru和RuO₂等，但是依然很難達到實際應用的效果，而且貴金屬的成本高昂，貴金屬類催化劑并不能大范圍的使用，因而具有很大的局限性。現在很多基于非貴金屬的催化劑的報道，主要包括過渡金屬氧化物、過渡金屬氮化物、大分子金屬螯合物、納米碳材料等。金屬氧化物制造成本較低，但性能和貴金屬催化劑還有不小的差距；其他催化劑材料品種少、制備工藝復雜、實際的制造成本可能并不低于貴金屬催化劑，距離商業化大規模的生產仍有很多不足。更重要的是催化劑的引入，并不能完全解決體系中存在的固-固界面的問題以及過氧化鋰本身導電性差的問題，這些依然是限制鋰空氣電池發展的重要瓶頸。