一种高活性锂空气电池空气电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料及其制备方法，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成，其中，纳米金属氧化物与贵金属均匀分布在多孔碳材料的表面和孔隙中。所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%-90%。与现有技术相比，本发明专利技术提供的纳米复合催化剂材料的制备方法简单，重复性好。用作锂空气电池阴极催化剂提高了电池的比容量，有效提高了电池的能量转换效率和循环性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂空气电池领域，具体涉及一种锂空气电池空气电极材料及其制备方法。
技术介绍
锂空气电池作为一种新型能量存储装置，其理论能量密度高达5200 Wh/kg，不包括氧气时的能量密度高达11140 Wh/kg，是理论能量密度最高的储能器件，Abraham等人在1996年首次报道了有机电解质锂空气二次电池体系，克服了水系电解液的缺点。目前来说，锂空气电池放电时电压约为2.7V (vs.Li+/Li)，低于其标准电压(2.96V)，充电时电压在 4.0V以上，明显高于放电电压，能量效率低于70%。同时，较高的电压也容易引起电解液的分解，发生不可逆的电化学反应。另外，锂空气电池的主要放电产物Li2O2不溶于电解液，随着放电的进行，越来越多的Li2O2将沉积在正极碳的孔道内，一方面导致孔道的堵塞，正极活性物质O2无法进入，从而使电压下降；另一方面，放电过程不断沉积的Li2O2会破坏碳的多孔结构，严重影响了锂空气电池的循环性能和寿命。 空气电极(电池正极)在电池充放电过程中极化较大,一方面造成电池能量效率降低，另一方面，在较高的充电电压下，电解质溶液及电极材料易发生反应，从而降低电池的使用寿命。因此，正极的研发状况决定着锂空气电池的发展，而正极性能的改善就成为了该领域的研究热点。通常采用在空气电极中加入催化剂的方法来降低充电电压，提高锂空气电池的能量效率，减少甚至避免电解液发生分解，从而改善锂空气电池的循环性能。贵金属具有催化氧还原功能，对降低锂空气电池的过电压，提高能量效率，改善循环性能起着重要作用。金属氧化物具有催化氧析出功能，可以提高锂空气电池的放电容量和循环性能，但这类过渡金属氧化物的导电性不好，反应容易被终止，不能发挥出稳定的电催化性能。 综上所述，本领域缺乏一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的空气电极，迫切需要开发高效的双功能催化剂以促进放电过程中氧气还原和充电过程中氧气的析出，从而提高二次锂-空气电池的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂空气电池空气电极材料，提高锂空气电池的容量和使用寿命。 为达到上述目的，本专利技术提供了一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%_25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%_25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%_90%。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物为ΜΟχ，其中金属元素M为Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Mo、Cr中的一种或几种，I彡χ彡2。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物为纳米MnO2粉末。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的贵金属为金(Au)、银(Ag)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、钼(Pt)中的一种或几种。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的多孔碳为科琴黑(ketjenblack)、石墨烯、碳纳米管、导电炭黑Super_P、活性炭中的一种或几种。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米过渡金属化合物采用水热方法合成。 上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的高度混合是指采用高能球磨混合。 本专利技术还提供了一种上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料的制备方法，该方法是将纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳按比例进行高能球磨，得到锂空气电池空气电极复合材料，其中，所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%-90%。 上述的制备方法，其中，所述的纳米金属氧化物采用水热方法合成，该水热方法是指在水溶液中合成纳米金属氧化物的前躯体，然后，在氧气气氛下，金属氧化物前躯体在300-800°C烧结，得到纳米金属氧化物。 本专利技术提供的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，采用纳米金属氧化物(该纳米过渡金属氧化物采用水热方法合成)与贵金属及多孔碳材料通过高能球磨的方法进行复合，得到空气电极材料，其中，纳米金属氧化物与贵金属均匀分布在多孔碳材料的表面和孔隙中。将该复合材料作为锂空气电池正极材料使用，电化学测试结果表明，复合材料提供了氧还原/氧析出可逆反应的活性位，有利于Li2O2的可逆生成与分解，并有效的降低了析氧电位，提高了锂空气电池的循环寿命和电池稳定性。 【附图说明】 图1是实施例1所得锂空气电池用纳米复合空气电极材料的充放电曲线。 图2是实施例1所得锂空气电池用纳米复合空气电极材料的充放电曲线(限容:1000mAh/g)。 图3是实施例1所得锂空气电池用纳米复合空气电极材料的循环性能(限容:1000mAh/g)。 具体实施方法本专利技术提供了一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成。 以下结合附图和实施例详细说明本专利技术。 实施例1 配制lmol/L的(NH4) 2S208和Mn (CH3COO) 2水溶液各40ml，混合均匀后倒入容积为10ml的高压釜中，密封好的高压釜在140°C的恒温箱中保持20h后，冷却至室温，对所得物进行抽滤分离、洗涤后得到纳米金属氧化物的前驱体。在氧气气氛下，金属氧化物前驱体在350°C烧结10h，即可得到纳米MnO2粉末。 将制备的纳米MnO2粉末与贵金属Pd、科琴黑材料以质量比为2:2:6的比例进行高能球磨，得到锂空气电池空气电极复合材料。 分别称取所述纳米复合材料和粘结剂，将复合材料与粘结剂按照8:2的重量比混合均匀后喷涂至碳纤维纸上并进行干燥，由此制得正极，其中正极材料的负载量为1-1Omg/cm2。以金属锂箔为负极，玻璃纤维为隔膜，lmol/L LiTFSI/TEGDME为电解液，组装成扣式电池,在2.0-4.5V的电压范围内，0.1mA/cm2的电流密度下进行充放电测试和循环性能测试。 从锂空气电池的充放电曲线(如图1所示，图中1、2表示循环I次、循环2次)，使用复合空气电极材料可以有效的降低充电过电势，充电电压在3.40 V-3.80 V，首周放电比容量达到4382 mAh/g，充电比容量达到4600 mAh/g。在限容1000 mAh/g的条件下，锂空气电池的容量效率高达100%，循环50周后仍保持稳定，如图2 (图中1、2、30、50分别表示循环I次、循环2次、循环30次、循环50次)和图3所示。由此可见，使用纳米复合材料作为锂空气电池的空气电极，不仅可以提高了电池的充放电比容量，而且有效的降低了电池的过电势，提高了电池的循环可逆性和能量效率。 实施例2 配制lmol/L的(NH4) 2S208和Co (CH3COO) 2水溶液各40ml，混合均匀后倒入容积为10ml的高压釜中，密封好的高压釜在140°C的恒温箱中保持20h后，冷却至室温，对所得物进行抽滤分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成，其中，纳米金属氧化物与贵金属均匀分布在多孔碳材料的表面和孔隙中。

【技术特征摘要】
1.一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成，其中，纳米金属氧化物与贵金属均匀分布在多孔碳材料的表面和孔隙中。2.如权利要求1所述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%-90%。3.如权利要求1或2所述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，所述的纳米金属氧化物为ΜΟχ，其中金属元素M为Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Mo、Cr中的一种或几种，I彡X彡2。4.如权利要求3所述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，所述的纳米过渡金属化合物采用水热方法合成。5.如权利要求4所述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其特征在于，所述的纳米金属氧化物为纳米MnO2粉末。6.如权利要求5所述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛亚，白清友，解晶莹，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31