一种锂空气电池非碳正极的制备方法、锂空气电池技术

本发明专利技术适用于电化学能源领域，尤其涉及一种锂空气电池非碳正极的制备方法、锂空气电池。所述制备方法包括以下步骤：利用水热反应在泡沫镍基底上生长Co

Method for preparing non carbon positive electrode of lithium air battery and lithium air battery

The invention is applicable to the field of electrochemical energy, in particular to a method for preparing a non carbon positive electrode of a lithium air battery and a lithium air battery. The preparation method comprises the following steps: using a hydrothermal reaction to grow Co on a foamed nickel base

【技术实现步骤摘要】
一种锂空气电池非碳正极的制备方法、锂空气电池
本专利技术属于电化学能源领域，尤其涉及一种锂空气电池非碳正极的制备方法、锂空气电池。
技术介绍
随着不可再生化石燃料的过度使用，全球变暖、环境污染等问题日益严重，开发绿色可持续发展新能源成为全人类亟待解决的关键问题。其中，锂空气电池因具有更高的理论比能量和存储密度，而吸引了全世界科研工作者的浓厚兴趣。锂空气电池采用金属锂作为负极，多孔扩散层为空气正极，在放电过程中将锂和氧气的化学能转变成电能，并且在充电的过程中通过分解放电产物(非水体系的Li2O2和水体系中的LiOH)来存储电能。由于放电产物的不可溶性和绝缘性导致其不可逆分解和分解不完全，最终导致较差的可逆性和循环稳定性。在锂空气电池中，碳材料由于具有导电性高、氧吸附能力强、氧还原活性好、成本低等特性而应用广泛，常见的有炭黑、介孔碳、碳纳米管、碳纤维及石墨烯等。然而，碳材料作为锂空气电池正极，在放电过程中会促进电解液分解生成Li2CO3和LiRCO3等副产物，充电过程中Li2CO3分解导致充电电压超过4V，然而在超过3.5V时碳材料也容易分解，从而降低库伦效率影响电池性能。因此，现有技术存在缺陷，急需改进。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种锂空气电池非碳正极的制备方法、锂空气电池。本专利技术是这样实现的，一种锂空气电池非碳正极的制备方法，包括以下步骤：a、利用水热反应在泡沫镍基底上生长Co3O4前驱体；b、在空气中进行煅烧，将Co3O4前驱体转化为Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正极(负载Co3O4的泡沫镍电极)；c、先将Ni负载Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氩气保护下进行高温处理，获得RuO2/Co3O4@Ni非碳正极(RuO2修饰的Co3O4@Ni电极)。进一步地，所述泡沫镍在进行步骤a之前先进行预处理，所述预处理包括：将泡沫镍根据需要进行裁剪；用有机溶剂超声浸泡5-7min，用去离子水冲洗后置于浓度为3-6M的HCl溶液超声清洗15-20min；依次用乙醇、水冲洗后干燥。进一步地，所述步骤a包括：将Co盐和尿素按摩尔比为1:3-4溶解于水中，获得溶液一，其中，Co2+浓度为0.075-0.1mol/L；将溶液一转反应釜中，放入泡沫镍，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷却反应釜，取出泡沫镍，用水超声清洗2-3次，烘干。进一步地，所述步骤b包括：将负载Co3O4前驱体的泡沫镍置于管式炉中，在空气氛围下升温至300-400℃，保温2-3h；所述升温的速率为3-5℃/min。进一步地，步骤c中，所述Ru盐浓度为1-2mmol/L。进一步地，步骤c中所述高温处理包括：将所述Co3O4@Ni非碳正极浸泡于pH为7-10的Ru盐溶液中，取出后在惰性气体保护下升温至150-350℃，保温4-5h；所述升温的速率为3-5℃/min。进一步地，所述锂空气电池非碳正极的负载量为1-1.4mg/cm2。本专利技术还提供了一种锂空气电池，包括正极、负极、隔膜及电解液，所述正极为采用上述所述的锂空气电池非碳正极的制备方法制成的锂空气电池非碳正极。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术实施例提供的锂空气电池非碳正极的制备方法，通过水热过程与低温煅烧使得Co3O4前驱体转化为Co3O4后形成纳米线，生长于泡沫镍基底上，并用RuO2修饰纳米线电极来改善过渡金属氧化物的导电性，制得的Co3O4@Ni纳米线阵列具有较大的比表面积。在RuO2修饰之后，其形貌和结构也没有明显改变。低温煅烧的过程造成了纳米线的多孔结构和理想的比表面，这显著增大了电解液与电极的接触面积，为ORR和OER过程提供了更多的反应活性位点。另外，RuO2修饰之后导电性有所增强，有效改善了锂空气电池循环过程中放电电压急剧下降的问题。此外，反应过程中生成带缺陷弱晶型薄膜状的放电产物，这些放电产物成为电导体而包覆于纳米线表面，增大了反应的接触面，减小了电荷转移阻抗。在充电过程中，放电产物更容易分解，从而降低电池的充放电过电势，使得锂空气电池的性能有所提高。附图说明图1为本专利技术实施例1中非碳正极Co3O4@Ni(负载Co3O4的泡沫镍电极)的FESEM图；图2为本专利技术实施例2中非碳正极RuO2/Co3O4@Ni(RuO2修饰的Co3O4@Ni电极)的FESEM图；图3为本专利技术实施例1中非碳正极Co3O4@Ni的TEM图；图4为对比例锂空气电池在电流密度为50mA/g条件下的电压-容量图；图5为本专利技术实施例1中非碳正极Co3O4@Ni锂空气电池在电流密度为200mA/g条件下的放电电压-循环图；图6为本专利技术实施例2中非碳正极RuO2/Co3O4@Ni锂空气电池在电流密度为200mA/g条件下的放电电压-循环图；图7为对比例锂空气电池在电流密度为200mA/g条件下的充电电压-循环图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种锂空气电池非碳正极的制备方法，包括以下步骤：a、利用水热反应在泡沫镍基底上生长Co3O4前驱体；b、在空气中进行煅烧，将Co3O4前驱体转化为Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正极(负载Co3O4的泡沫镍电极)；c、先将Ni负载Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氩气保护下进行高温处理，获得RuO2/Co3O4@Ni非碳正极(RuO2修饰的Co3O4@Ni电极)。本专利技术实施例提供的锂空气电池非碳正极的制备方法，通过水热过程，在高温高压的条件下使得纳米线状的Co3O4前驱体生长于泡沫镍基底上，煅烧过程前驱体转化为金属氧化物Co3O4。制得的Co3O4@Ni纳米线阵列具有较大的比表面积。并用RuO2修饰纳米线电极来改善过渡金属氧化物的导电性，在RuO2修饰之后，其形貌和结构也没有明显改变。低温煅烧的过程造成了纳米线的多孔结构和理想的比表面，这显著增大了电解液与电极的接触面积，为ORR和OER过程提供了更多的反应活性位点。另外，RuO2修饰之后导电性有所增强，有效改善了锂空气电池循环过程中放电电压急剧下降的问题。此外，反应过程中生成带缺陷弱晶型薄膜状的放电产物，这些放电产物成为电导体而包覆于纳米线表面，增大了反应的接触面，减小了电荷转移阻抗。在充电过程中，放电产物更容易分解，从而降低电池的充放电过电势，使得锂空气电池的性能有所提高。具体地，所述泡沫镍在进行步骤a之前先进行预处理，所述预处理包括：将泡沫镍根据需要进行裁剪；用有机溶剂超声浸泡5-7min，用去离子水冲洗后置于浓度为3-6M的HCl溶液超声清洗15-20min；依次用无水乙醇、去离子水冲洗后干燥。具体地，所述步骤a包括：将Co盐和尿素按摩尔比为1:3-4溶解于水中，获得溶液一，其中，Co2+浓度为0.075-0.1mol/L；将溶液一转反应釜中，放入泡沫镍，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷却反应釜，取出泡沫镍，用水超声清洗2-3次，烘干。具体地，所述步骤b包括：将负载Co3O4前驱体的泡沫镍置于管式炉中，在空气氛围下升温至300-400℃，保温2-3h；所述升温的速率为3-5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂空气电池非碳正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、利用水热反应在泡沫镍基底上生长Co

【技术特征摘要】
1.一种锂空气电池非碳正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、利用水热反应在泡沫镍基底上生长Co3O4前驱体；b、在空气中进行煅烧，将Co3O4前驱体转化为Co3O4，形成Co3O4@Ni非碳正极；c、先将Ni负载Co3O4浸泡于RuCl3溶液中，然后在氩气保护下进行高温处理，获得RuO2/Co3O4@Ni非碳正极。2.如权利要求1所述的锂空气电池非碳正极的制备方法，其特征在于，所述泡沫镍在进行步骤a之前先进行预处理，所述预处理包括：将泡沫镍根据需要进行裁剪；用有机溶剂超声浸泡5-7min，用去离子水冲洗后置于浓度为3-6M的HCl溶液超声清洗15-20min；依次用乙醇、水冲洗后干燥。3.如权利要求1所述的锂空气电池非碳正极的制备方法，其特征在于，所述步骤a包括：将Co盐和尿素按摩尔比为1:3-4溶解于水中，获得溶液一，其中，Co2+浓度为0.075-0.1mol/L；将溶液一转反应釜中，放入泡沫镍，密封，置于100-120℃下保持6-8h；自然冷却反应釜，取出...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，吴其兴，孟诚诚，冯景华，罗仲宽，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44