锂空气电池改性非碳正极及其制备方法和锂空气电池技术

本发明专利技术公开了一种锂空气电池改性非碳正极及其制备方法和锂空气电池。所述锂空气电池改性非碳正极的制备方法包括以下步骤：将泡沫镍集流体进行预处理；将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，在所述泡沫镍集流体表面生长碱式碳酸钴前驱体；将生长的所述碱式碳酸钴前驱体进行洗涤和干燥处理后，进行煅烧处理，在所述泡沫镍集流体表面生长Co3O4；将生长有所述Co3O4的所述泡沫镍集流体于还原气氛中进行热还原处理，即得改性氧化钴复合泡沫镍非碳正极。所述制备方法制备的锂空气电池改性非碳正极具有良好的导电性和催化活性，赋予锂空气电池良好的稳定性及循环性能，而且使用寿命长。

Modified non-carbon cathode for lithium air battery and its preparation method and lithium air battery

The invention discloses a modified non-carbon cathode for lithium air battery, a preparation method thereof and a lithium air battery. The preparation method of the modified non carbon cathode of the lithium air battery comprises the following steps: pretreating the foam nickel collector; placing the pretreated nickel foam collector in the aqueous solution containing cobalt salt to conduct hydrothermal reaction; growing the basic cobalt carbonate precursor on the surface of the nickel foam collector; and washing and drying the growing precursor of the basic cobalt carbonate. After the calcination treatment, Co3O4 is grown on the surface of the nickel foam collector, and the foam nickel collector with Co3O4 growth is treated in a reducing atmosphere for thermal reduction. The modified non-carbon positive of the lithium air battery prepared by the preparation method has good conductivity and catalytic activity, gives the lithium air battery good stability and cycle performance, and has long service life.

【技术实现步骤摘要】
锂空气电池改性非碳正极及其制备方法和锂空气电池
本专利技术属于电化学能源领域，具体涉及一种锂空气电池非碳正极及其制备方法和锂空气电池。
技术介绍
随着工业化生产和科技高速发展，人类对于能源的需求越来越大，能源在人们生活中扮演着日趋重要的角色。能源和环境是二十一世纪最重要的两大问题，全球对能源的需求在快速以及持续的增加。能源的短缺将成为一个日趋严峻的问题。现今，新型高能电池的研究热潮席卷全球，近几年，全球的锂离子电池的总产量飞速增长其中，动力电池占比巨大。就中国市场而言，新能源汽车销量剧增。虽然新能源汽车的市场如此火热，但是生产的电动汽车单次充电行驶距离始终无法达到燃油汽车的行驶里程，即便使用的锂离子电池达到其理论能量密度，也难以满足未来电池储能的发展需求。因此，则迫切需要研发一种具有更高比能量的新型高能电池。锂空气电池技术作为后锂离子时代的一种新型电池技术,具有5200W·h/kg的超高能量密度(考虑锂片和氧气的质量)，是锂离子电池体系(150W·h/kg)的数十倍，预计可驱动电动汽车行驶500km以上，接近汽油燃料汽车的行驶能力。锂空气电池虽然很有前景，但是在实际应用中受到许多障碍的限制。目前，非水系锂空气电池面临的问题有主要几点：1.负极锂片的保护和反应过程的锂枝晶的问题；2.有机电解液对放电产物Li2O2和放电中间产物LiO2的不稳定性；3.正极由于放电产物不导电从而导致的充放电循环期间氧还原(ORR)和氧析出(OER)的内在迟滞的动力学问题。其中，关于空气电极的动力学问题，目前比较有效的方法是多孔正极结构的优化和催化剂的选用。目前国内外锂空气电池正极主要以碳基正极为主，碳基由于其高导电性，高比表面积等优点被广泛运用，这类锂空气电池在放电容量能上很大的优势，但由于碳材料容易在反应过程中与锂离子反应生成一下副产物从而影响正常反应的进行。碳基正极存在以下几个问题：1.碳材料的不稳定性，碳材料在电压3.5V以上容易分解；2.碳材料在电池的充放电过程中会参与反应而生成不必要的一些副产物影响整个电池的寿命；3.碳基正极中使用的粘结剂不稳定性和不导电的性质。由于以上问题使得锂空气电池的库伦效率低并且循环性能差使用寿命短。为了避免碳基正极带来的以上问题，研究人员通过开发一种非碳正极有效的避免了碳材料和粘结剂的使用，减少了不必要的副产物。通过采用金属基底代替传统的碳基基底，并采用过渡金属氧化物作为催化剂结合得到一种非碳的锂空气正极。目前采用的金属基底主要是泡沫镍、泡沫铜、镍网、铜网等，由于其高导电性和多孔结构及稳定的性质被广泛运用于锂空气电池的基底。过渡金属氧化物因其价格低廉易得，并且有较好的催化活性广泛应用于锂空气电池正极催化剂中。然后在实际应用中发现，现有的过渡金属氧化物虽然具有良好的催化性和一定的导电性，但是导电性有限，而且反应的活化能较高，从而导致当前锂空气电池的稳定性及循环性能不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂空气电池改性非碳正极及其制备方法，以解决现有锂空气电池非碳正极所含催化剂导电性和反应的活化能较高的技术问题。本专利技术的另一目的在于提供一种锂空气电池，以解决现有锂空气电池存在稳定性及循环性能不理想的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的一方面，提供了一种锂空气电池改性非碳正极的制备方法。所述锂空气电池改性非碳正极的制备方法包括以下步骤：将泡沫镍集流体进行预处理；将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，在所述泡沫镍集流体表面生长碱式碳酸钴前驱体；将生长的所述碱式碳酸钴前驱体进行洗涤和干燥处理后，进行煅烧处理，在所述泡沫镍集流体表面生长Co3O4；将生长有所述Co3O4的所述泡沫镍集流体于还原气氛中进行热还原处理。本专利技术的另一方面，提供了一种锂空气电池非碳正极。所述锂空气电池非碳正极是本专利技术制备方法制备得到。本专利技术的又一方面，提供了一种锂空气电池。所述锂空气电池包含本专利技术锂空气电池非碳正极。与现有技术相比，本专利技术具有以下的技术效果：本专利技术锂空气电池改性非碳正极的制备方法通过水热反应和煅烧处理直接在泡沫镍集流体表面生长Co3O4纳米线阵列，有效保证了Co3O4纳米线阵列具有较大的比表面积；通过对所述Co3O4纳米线阵列于还原气氛中进行热还原处理后，使得Co3O4纳米线阵列还原为带有丰富氧空位的CoO纳米线阵列，而且赋予纳米线表面丰富的多孔结构。这样CoO不仅能够有效抑制超氧根对电极和电解液的进攻从而进一步抑制一些不必要的副产物，有利于加强电解液和整个电池的稳定性，而且CoO纳米线表面具有丰富的多孔结构和其丰富的氧空位的存在，从而有效的加强了制备的锂空气电池改性非碳正极对锂离子和电子的传输，提高了锂空气电池改性非碳正极的导电性和催化活性，并且可以提供更多结合氧气和过氧化锂的活性位点，进而加强其充放电过程中的OER和ORR性能，达到提高放电容量和降低充放电过电势的作用；另外，本专利技术制备方法制备有效的避免了碳材料和粘结剂的使用，从而不会出现碳材料和粘结剂的使用过程中所带来碳酸锂等副产物，到达降低充电过程的过电势的目的；其次，本专利技术制备方法条件易控，制备的锂空气电池改性非碳正极性能稳定，而且效率高。本专利技术锂空气电池由于是采用本专利技术锂空气电池改性非碳正极作为正极，因此，所述锂空气电池具有良好的稳定性及循环性能，而且使用寿命长。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例锂空气电池改性非碳正极的制备方法工艺流程示意图；图2是本专利技术实施例1提供的非碳正极CoO@Ni-R表面扫描电镜图。图3是本专利技术实施例1提供的非碳正极CoO@Ni-R表面透射电镜图；图4是对比例1提供的非碳正极CoO@Ni表面扫描电镜图图5是对比例1提供的非碳正极CoO@Ni表面透射电镜图；图6是本专利技术实施例1提供的非碳正极CoO@Ni-R锂空气电池在容量为500mAh/g，电流密度为300mA/g条件下的循环图；图7是对比例1提供的非碳正极CoO@Ni锂空气电池在容量为500mAh/g，电流密度为300mA/g条件下的循环图；图8是本专利技术实施例1和对比案例1提供的锂空气电池在电流密度为200mA/g条件下的首圈充放电图；图9是本专利技术实施例1和对比案例1提供的锂空气电池在电流密度为300mA/g条件下的充放电电压-循环图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，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。本专利技术实施例说明书中所提到的各组分的质量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间质量的比例关系，因此，只要是按照本专利技术实施例说明书各组分的含量按比例放大或缩小均在本专利技术实施例说明书公开的范围之内。具体地，本专利技术实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。一方面，本专利技术实施例提供了一种锂空气电池改性非碳正极的制备方法。所述锂空气电池改性非碳正极的制备方法的工艺流程如图1所示，其包括以下步骤：S01：将泡沫镍集流体进行预处理；S02：将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂空气电池改性非碳正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将泡沫镍集流体进行预处理；将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，在所述泡沫镍集流体表面生长碱式碳酸钴前驱体；将生长的所述碱式碳酸钴前驱体进行洗涤和干燥处理后，进行煅烧处理，在所述泡沫镍集流体表面生长Co3O4；将生长有所述Co3O4的所述泡沫镍集流体于还原气氛中进行热还原处理。

【技术特征摘要】
1.一种锂空气电池改性非碳正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将泡沫镍集流体进行预处理；将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，在所述泡沫镍集流体表面生长碱式碳酸钴前驱体；将生长的所述碱式碳酸钴前驱体进行洗涤和干燥处理后，进行煅烧处理，在所述泡沫镍集流体表面生长Co3O4；将生长有所述Co3O4的所述泡沫镍集流体于还原气氛中进行热还原处理。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述还原气氛是由包括体积比为(5-10):(90-95)的氢气和惰性气体组成的混合气体构成；所述热还原处理的条件为1-1.5℃/min的升温速率升温到200±5℃并保温1-3h。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述混合气体的流速为200-250mL/min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应的方法包括以下步骤：将钴盐和尿素按照质量比为(0.9-0.95)：1溶解于去离子水中，配制成混合物溶液；将所述混合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，吴磊，刘旺，王慧，王泓蛟，吴其兴，罗仲宽，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44