本发明专利技术涉及锂空气电池用阴极、锂空气电池、以及制备锂空气电池用电极的方法，提供了一种锂空气电池用阴极，所述阴极包含修饰的碳材料，其特征在于，所述修饰的碳材料表面包含至少一种杂原子或者杂原子基团。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，提供了一种锂空气电池用阴极，所述阴极包含修饰的碳材料，其特征在于，所述修饰的碳材料表面包含至少一种杂原子或者杂原子基团。【专利说明】锂空气电池用阴极、锂空气电池、以及制备锂空气电池用电 极的方法
本专利技术一般地涉及可用作锂空气电池阴极的修饰的碳材料。示例性的实施方式包 括表面修饰有杂原子或基于杂原子的基团的碳材料。还公开了用本专利技术的碳材料制得的锂 电池，以及制备修饰的碳材料方法。
技术介绍
在所有的可实用的电化学电源中，锂空气具有最高的比容量和能量密度。在锂空 气电池中，金属锂在阳极被氧化，而环境中直接提取的氧气在阴极被还原，由此在放电过程 中产生电流。通常而言，锂空气电池的性能受阴极处反应的效率的限制。而在四种主要类 型的锂空气电池中，即质子惰性系锂空气电池，水系锂空气电池，水-质子惰性混合系锂空 气电池和固态系锂空气电池中，阴极处反应的改善是受不同参数影响的。 与其它类型的锂空气电池相比，质子惰性系锂空气电池具有一些优势，包括可以 再充电，可以在阳极和电解液之间自发形成阻隔层，该阻隔层可以阻止金属锂与电解液的 进一步反应。虽然质子惰性系锂空气电池的理论容量非常的大，实际容量却被在阴极处产 生Li 20和/或Li202所限制。这些化合物通常不能溶解在有机电解液中，因此会沿阴极-电 解液界面以及在阴极的孔中聚集。这一聚集会最终阻止氧气扩散到电解液中进行进一步的 电池放电，并且还会导致电池的体积膨胀。通过放出的Li 20和/或Li202阻隔空气阴极甚 至会导致电池放电终止，最终获得比较低的电池实际容量。因此，适用于质子惰性系锂空气 电池的高效的阴极应该具有可以储存放出的Li 20和/或Li202从而防止氧气进入电解液的 通道被阻塞的方式。而一种有效的可以提高电极对放出的Li 20和/或Li202储存能力的技 术就是调整阴极中孔的数量和类型。 因为阴极处的Li-〇2反应仅发生在三相区域中（由电子导电载体、锂离子导电电解 液和氧气组成)，因此，一种高效的阴极需要具有很大的电化学反应的表面积。该阴极中的 丰富的三相界面将有利于获得高的放电容量。而阴极中的载体-电解液-氧气三相界面的 效率可以通过测定电解液在载体表面的接触角来进行评估。在某些情况下，大的接触角就 意味着大的三相区域。 在许多锂空气电池中，阴极载体包括非极性的碳材料。碳由于具有很大的比表面 积，高的电导率以及多孔结构，通常用来作为催化剂(例如纳米尺寸的电化学催化剂）的载 体。然而，非极性的碳材料倾向于具有高度的亲油性。在质子惰性系锂空气电池的所述碳 材料和大多数有机和/或非水电解液之间的低的表面张力导致阴极具有低的接触角。这将 会导致碳材料表面被电解液润湿和/或电极的内孔被电解液淹没。这会最终导致用于阴极 处氧气扩散和充放电反应的载体上的具有合适厚度的电解液膜的三相区域的数量和/或 质量下降。 经过某些化学修饰而具有了疏油和/或疏水特性的碳材料表面已经被用于改善 常规的燃料电池和锂空气电池用碳载体。 传统意义上认为，碳材料作为一种惰性材料，本身不具有电化学催化活性，只是作 为机械载体使用，因此，阴极的催化作用主要来自于承载在碳材料中或碳材料上的金属或 金属氧化物催化剂，通常只是通过简单的机械混合方式混合。 传统的碳负载催化剂的电极主要包括被催化剂活性位点覆盖的碳表面(催化的碳 表面)，以及没有催化活性位点的碳表面(非催化的碳表面)。在放电过程中，已知氧气还原 也可以发生在非催化的碳表面，而不必依靠金属或金属氧化物催化剂的辅助。发生在锂空 气电池的非催化的碳孔中的非催化的放电反应会导致比较低的放电电压。在充电过程中， 由于沉积在非催化的碳孔中的放电产物与催化位点之间的亲密接触缺失，会限制反应性， 并导致了较高的充电电压或高的过电势。而由此导致的过电势是锂空气电池中的另一个严 重的缺陷。 除此之外，有效的和可接受的锂空气电池的电流大小与活性位点的比催化表面积 和载体上的催化剂的分散度在一定程度上具有一定的正比关系。因此，很需要制备一种具 有高分散的催化位点的阴极，可以提供均一的催化的电池反应。
技术实现思路
本专利技术在各个实施方式中涉及用于锂空气电池的包含有修饰的碳材料的阴极，例 如包含有至少一个杂原子或杂原子基团的碳材料。这种碳材料可以是通过化学或物理的方 法修饰，例如，化学处理，气氛处理或等离子体修饰。 在一个实施方式中，修饰后的碳材料的表面氧含量至少约为2. 5mol%，表面硫含量 小于约0. 2mol%，与含有盐与有机溶剂的电解液的润湿角至少约为15°，和/或BET比表面 积至少约为40m2/g。 所述碳材料选自炭黑，活性碳，活化碳，乙炔炭黑，碳纳米管，碳纳米线，碳纤维，碳 纳米泡沫，碳纳米纤维，木炭，焦炭，介孔碳，纤维碳，碳凝胶，碳泡沫，介孔碳微粒，各种形式 的石墨，包括石墨颗粒，石墨烯，石墨炔，预氧化碳，木质活性碳，以及上述各种材料的组合。 杂原子或杂原子基团占被修饰的碳材料的约0. 5-30重量％，这些杂原子或杂原子 基团可选自H，B，P，0, N，S，F，Cl，Br，I，含氧基团，羰基，羧基，羧酸酐，酚羟基，内酯基，酚基， 醒基，咕吨基，酿基，醜基氣化物，甲基醋，重氣甲烧基团，竣酸基团，过氧化物基，超氧化物 基，含氮基，C=N，N-H，氰基，卤代基，C-F，亚硫酰氯，以及它们的组合。 所述杂原子或杂原子基团可以物理吸附或化学键合在碳材料的表面。所述杂原子 或杂原子基团可以通过任何已知的化学键键合在碳材料表面，所述化学键包括但不限于， 离子键，共价键，金属键，偶极-偶极相互作用和氢键。本文中公开了用于碳材料修饰的各 种化学和物理方法，但这些方法只是示例性的，并不仅限于此。 还公开了包含含所述修饰的碳材料的阴极料的锂空气电池，该种锂空气电池至少 具有约800mAh/g的比容量，和/或至少约55%的循环效率。 更多的目的和优点将在以下详述部分中阐述，并且一部分将从说明书中显而易见 地得出，或者通过实践学会。本专利技术涉及的目的和优点将通过所附的权利要求书中具体指 出的元素及其组合来实现和获得。 需要理解，前面的一般描述和下面的详细描述仅是示例性的，但不限制所要求的 实施方式。 结合入并构成本说明书的一部分的附图示出了本专利技术的一些实施方式，与说明书 结合用以解释本专利技术的原理。 【专利附图】【附图说明】 图1是未被修饰的乙炔碳黑（AB)以及通过ΗΝ03和H20 2修饰的AB的傅里叶变换红 外谱（FTIR)图，对应于实施例1-6。 图2是未被修饰的乙炔碳黑（AB)以及通过ΗΝ03和H20 2修饰的AB的X射线衍射 (XRD)图，对应于实施例1-6。 图3示出了 ：A)未修饰的AB，C)实施例1中化学修饰的AB，以及E)实施例4中化 学修饰的AB的SEM图片；以及B)未修饰的AB，D)实施例1中化学修饰的AB，以及F)实施 例4中化学修饰的AB的能量分散性X射线光谱（EDX)图。 图4是未被修饰的AB以及化学修饰的AB的硫元素含量和氧元素的原子％，对应 于实施例1-6。 图5是未被修饰的AB以及化学修本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂空气电池用阴极，所述阴极包含修饰的碳材料，其特征在于，所述修饰的碳材料表面包含至少一种杂原子或者杂原子基团。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：温兆银，崔言明，鹿燕，吴梅芬，吴相伟，迈克·巴汀，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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