非碳基锂-空气电极制造技术

本发明专利技术涉及非碳基锂-空气电极。用于锂-空气电池阴极的集流体包含此类无碳的导电多孔载体。所述载体可包括金属硼化物、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物和/或金属卤化物。示例性的载体是锑掺杂的氧化锡和氧化钛。相对于常规含碳多孔阴极集流体，这种无碳的阴极在机械性质和电化学性能以及循环寿命等方面得到改善。

【技术实现步骤摘要】
技术背景领域本专利技术涉及锂-空气电池，更具体地涉及用于所述电池的电极设计。技术背景锂-空气电池包括金属-空气电池化学过程，该化学过程通过阳极锂的氧化以及阴极处氧气的还原产生电流。因为锂-空气电池储存的能量密度高，成为近来研究的对象。这种电池主要通过利用大气中的氧气作为活性物质，而非在电池内部储存氧化剂，从而在能量密度方面与常规电池相比从根本上得到改进。在锂-空气电池中，金属锂是阳极材料的常规选择。在阳极处，锂在电化学电势的驱动下被氧化，释放电子，反应过程如以下半电池反应所示：对应地，在阴极处则发生锂离子与氧结合的还原反应。通常选择介孔碳材料构成阴极集流体。在非质子类电解质的电池中，阴极中将发生如下的半电池还原反应：Li++e-+O2↔Li2O2.]]>非水性碳阴极基锂-空气电池面临的主要问题是氧化锂反应产物的不溶性。例如，过氧化锂（Li2O2）是可以观察到的反应产物。它们聚积在阴极结构中使物质的扩散受阻，从而抑制了电池反应的动力学过程。这种阴极为核心的锂-空气电池的另一个难题是循环过程中产生很大的极化。产生极化的原因可能是在放电过程中产生Li2O2以及充电过程中分解Li2O2均需要很高的活化能。因此，人们非常需要机械性能和化学性能优越的阴极，以支持锂-空气电池中的氧还原和氧析出反应。在以下的详细描述中给出了本专利技术的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本专利技术而被认识。需要理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本专利技术的实施方案，目的是提供理解本专利技术本质和特性的概要或框架。附图是本说明书的一部分，可对本专利技术形成进一步的理解。附图说明了本专利技术的各个实施例，通过对附图的描述和解释阐述本专利技术的原理和操作方法。
技术实现思路
概要用于例如锂-空气电池的阴极由不含碳的导电多孔载体组成。所述载体至少含有一种硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和卤化物。示例性的化合物可以是氧化锡和氧化钛，例如锑掺杂的氧化锡或亚氧化钛。多孔载体可以由部分聚结的颗粒组成，这些颗粒可呈球形、椭球形、棒状或管状等形状。与本专利技术实施方案相应的这类载体的导电性为10-8-108S/cm，比表面积为10-3-105m2/g。在以下的详细描述中提出了本
技术实现思路
的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本
技术实现思路
而被认识。前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本
技术实现思路
的实施方式，为理解本专利技术的本质和特性提供了概要或框架。附图是说明书的一部分，可进一步理解本专利技术的内容。附图说明了本专利技术的各种实施方式、原理以及效果，在说明书中进行了描述。附图和说明仅仅是范例，不起限制本专利技术权利要求范围的作用。附图简要说明结合以下附图可以对本专利技术的具体实施方式的详细描述时更好地理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1是示例性锂-空气电池的示意图；图2是对比例1和2的VXC-72碳材料的TEM图；图3是实施例1和2的Sb掺杂SnO2材料的TEM图；图4是实施例1和2的Sb掺杂SnO2材料的XRD图；图5显示对比例VXC-72碳材料和Sb掺杂的SnO2材料的TG-DSC曲线；图6显示(a)对比例VXC-72碳材料和(b)Sb掺杂的SnO2材料的电解质润湿角数据；图7是对比例VXC-72碳材料和实施例Sb掺杂的SnO2材料在低电流下的第一次放电/充电曲线；图8显示基于Sb掺杂SnO2的电池在低电流下的前三次放电/充电循环曲线；图9是包括对比例VXC-72碳材料和Sb掺杂的SnO2材料的电池在高电流下的第一次放电/充电曲线；图10显示基于Sb掺杂的SnO2电池在不同电流下的第一次放电/充电曲线；图11是对比例VXC-72碳基电池和基于Sb掺杂的SnO2电池的比容量和循环次数的关系图。具体实施方式下面将结合各实施例更详细地阐述本专利技术的内容，部分内容结合附图进行说明。在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。用于锂-空气电池的阴极集流体包括不含碳的导电多孔载体。碳是亲油性的，并具有较低的极性，阴极中避免使用碳，可以提升所述电池的性能。例如，具有含碳阴极的锂-空气电池由于碳在电池运行过程中的氧化不能在大电流下放电，循环性能有限。本专利技术所揭示的结构具有导电性、疏油性、机械和电化学稳定，成本低、循环寿命长、容量高，机械强度和稳定性，可以缓释放电产物持续沉积过程中的孔膨胀，从而保持三维孔结构免遭破坏，改进电池的循环稳定性。本专利技术的自立式多孔阴极拥有足够的用于Li2O2储存的空穴体积。虽然载体不含元素碳，例如活性碳和石墨碳等，但是所述的载体可以包括含碳的化合物，例如碳化物等。在具体的实施方案中，所述载体可以包含导电性硼化物、导电性碳化物、导电性氮化物、导电性氧化物、导电性卤化物或它们的组合。此类硼化物、碳化物、氮化物、氧化物或卤化物可以由金属或非金属阳离子形成，并可以分别用下式表示：MB、MC、MN、MO或MX，其中X是卤素。金属或非金属阳离子（M）可以选自元素周期表第1列至第16列的一种或多种元素。氧化物的具体例子包括氧化锡和氧化钛。氧化物可以是化学计量的或者非化学计量的。例如，氧化钛包括化学计量的TiO2型氧化物，例如锐钛矿或金红石，和非化学计量的氧化物，例如TiO2-x(0<x<2)，如Ti4O7。多孔载体可以是颗粒的团聚体，颗粒可以是球形、椭球形、纤维状、棒状或管状的一种或多种。载体化合物可以是硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和/或卤化物。这种形貌提供了充足的用于电化学反应的表面积和用于放电产物积累的空间。单个颗粒的特征尺寸（例如直径或长度）范围可以是0.1-105nm，例如1-104nm。例如，球形颗粒的直径范围可以是0.1-105nm。所述颗粒可以是多孔的。所述载体具有导电性，例如离子导电性可在10-8-108S/cm的范围。所述导电性可以等于以下任一值，或者任意两个值之间的范围：10-8、10-7、10-6、10-5、10-4、10-3、10-2、10-1、1、10、102、103、104、105、106、107和108。相比于常规的碳基阴极，非碳基导电化合物形成的阴极具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由不含碳的导电化合物多孔载体组成的锂‑空气电池阴极集流体。

【技术特征摘要】
1.一种由不含碳的导电化合物多孔载体组成的锂-空气电池阴极集流体。
2.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体至少包括一
种下列化合物：硼化物、碳化物、氮化物、氧化物和卤化物。
3.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体包括选自氧
化锡和氧化钛的一种氧化物。
4.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体包括锑掺杂
的氧化锡或亚氧化钛。
5.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体的形状可以
是球形、椭球形、纤维状、棒状或管状。
6.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体的电导率为
10-8-108S/cm。
7.如权利要求1所述的阴极集流体，其特征在于，所述载体的表面积为
10-3-105m2/g。
8.如权利要求1所述的阴极集流...

【专利技术属性】
技术研发人员：温兆银，崔岩明，沈忱，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