一种锂空气电池非碳正极及其制备方法、锂空气电池技术

本发明专利技术公开了一种锂空气电池非碳正极及其制备方法、锂空气电池。所述制备方法包括以下步骤：对基底进行预处理；在所述基底生长FeCo2O4前驱体；高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底，使基底上的FeCo2O4前驱体转化成FeCo2O4，形成锂空气电池非碳正极。本发明专利技术的制备方法，形成了一种自支撑型的三维多孔有序结构FeCo2O4@Ni，避免了使用碳材料和粘结剂所带来的副产物的影响，增加了电极与电解液的接触面积，为电池内部的氧化还原反应提供更多的活性位点；排除了多孔碳、催化剂的团聚问题，更充分地发挥了FeCo2O4的催化作用，有效缓解了空气正极的极化问题，降低了锂空气电池的充电过电势，使电池稳定高效地运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学能源领域，尤其涉及一种锂空气电池非碳正极及其制备方法、锂空气电池。
技术介绍
气候变化推动了低碳发展，低碳发展推动了能源革命。而储能技术将是能源系统的一个重要组成部分和发展方向，开发清洁、实用、高效的储能技术已成为众多科学工作者共同追求的目标。随着电动汽车的大力发展，储能电池更是受到了越来越多的关注。但当前发展较为成熟的磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、三元材料电池均很难满足电动汽车续航里程最终的发展要求。而近年来，新型体系锂-空气电池以能量密度高、环境友好、具有可逆性等优点逐渐脱颖而出。与锂离子电池不同，锂-空气电池以金属锂为负极，空气中的氧气为正极，理论比能量高达11140Wh/kg，是锂离子电池的5～10倍，可以与汽油媲美。如果锂-空气电池研发成功并最终实现商业化，将对电动汽车和电网储能领域产生革命性的影响。尽管锂空气电池是非常有吸引力的新型电源系统，但要走向实用化、商业化仍然有很多问题需要克服。比如锂枝晶的产生、空气中水汽和二氧化碳对电池的污染、电解质的不稳定性以及空气电极方面的电化学极化等。在锂空气电池中，空气正极是沟通外界空气与内部微观结构的中间桥梁，是电池反应的主要发生区域，既是氧气的扩散通道，也是放电产物的存储空间，还是电子的传导载体。因此，正极材料的选择至关重要。目前，正极材料主要包括基体材料和催化剂两个部分。多孔碳材料由于具有导电性好、成本低、易于造孔等特点，被广泛用作锂空气电池的正极基体材料。但随着研究的深入，发现碳基正极存在着一些难以解决的问题。首先，大部分碳基正极都是通过物理混合多孔碳、催化剂、粘结剂形成浆料涂覆于集流体上来实现的，那么催化剂就很有可能被大量的碳材料包覆，或者是由于自身的团聚而丧失催化活性表面。其次，碳材料在锂空气电池中的不稳定分解是另一难题。充电到3.5V以上碳材料就会被分解，并与放电产物Li2O2反应形成Li2CO3，而不可逆分解产物Li2CO3会增加电池阻抗和充电过电势，随之造成容量衰减。并且碳基正极中常用到的粘结剂(如PVDF)会由于氧自由基的亲核进攻而分解产生副产物LiOH和LiF。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂空气电池非碳正极及其制备方法，并提供一种锂空气电池，旨在更有效地利用催化剂和避免在锂空气电池中碳材料的分解问题，从而降低锂空气电池充电过电势，使电池稳定高效地运行。本专利技术的技术方案如下：一种锂空气电池非碳正极的制备方法，包括以下步骤：对基底进行预处理；在所述基底生长FeCo2O4前驱体；高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底，使基底上的FeCo2O4前驱体转化成FeCo2O4，形成锂空气电池非碳正极。进一步地，所述基底为泡沫镍。进一步地，所述对基底进行预处理包括：将基底裁剪成所需的尺寸；将所述基底置于丙酮中浸泡，用去离子水冲洗后置于浓度为3M～9M的HCl溶液浸泡；将浸泡后的基底依次用去离子水和无水乙醇冲洗，然后干燥。进一步地，所述在所述基底生长FeCo2O4前驱体包括：称量FeCl2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O、尿素及氟化铵，混合后依次加入去离子水和乙二醇，搅拌至固态试剂完全溶解，得混合液；预处理后的基底置于反应釜底部，导入所述混合液，进行水热反应。进一步地，所述FeCl2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O、尿素及氟化铵的摩尔比为1:2:5:2。进一步地，所述水热反应的温度为120℃～160℃，时间为5h～10h。进一步地，所述高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底包括：将生长FeCo2O4前驱体的基底在空气氛围下，升温至300℃～400℃，煅烧2h～3h；所述升温速率为1～5℃/min。进一步地，所述锂空气电池非碳正极上的催化剂为FeCo2O4，所述催化剂的负载量为0.34mg/cm2。本专利技术还提供了一种锂空气电池非碳正极，采用上述的锂空气电池非碳正极的制备方法制备得到。本专利技术还提供了一种锂空气电池，包含上述的锂空气电池非碳正极。有益效果：本专利技术通过简单的水热合成与高温煅烧使催化剂FeCo2O4直接生长于泡沫镍基底，形成了多孔非碳正极FeCo2O4@Ni。相对于常规技术，可以避免多孔碳、催化剂的团聚问题，以及使用碳材料和粘结剂所带来的副产物的影响。采用简单的水热合成法使催化剂直接生长于集流体泡沫镍的骨架上，易形成一种自支撑型的三维多孔有序结构，增加了电极与电解液的接触面积，为电池内部的氧化还原反应提供更多的活性位点。此外，FeCo2O4作为一种金属氧化物催化剂，具备价格低廉、丰富易得、可塑性强的优点，其表面拥有较多的Co3+，易把氧气吸附到其活性位点；其次Fe2+易被氧化成d轨道呈半充满状态的Fe3+，为氧化还原反应提供电子。生长于泡沫镍上的FeCo2O4薄片会彼此相连，围成的大孔提供放电产物Li2O2储存的空间和O2的扩散通道，而薄片上的介孔则为ORR/OER(析氧反应/氧化还原反应)提供充足的催化活性位点。附图说明图1为本专利技术实施例3中非碳正极FeCo2O4@Ni的SEM图；图2为本专利技术实施例3中非碳正极FeCo2O4@Ni的EDS能谱表征图；图3为本专利技术实施例3中非碳正极FeCo2O4@Ni的TEM图；图4是本专利技术实施例3锂空气电池与常规锂空气电池在不同电流密度条件下的深度放电测试结果图；图5是本专利技术实施例3的锂空气电池与常规锂空气电池在电流密度为200mAg-1条件下的充电电压-循环图；图6是本专利技术实施例3的锂空气电池与常规锂空气电池在电流密度为400mAg-1条件下的充电电压-循环图。具体实施方式本专利技术提供一种锂空气电池的非碳正极及其制备方法，以及锂空气电池，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图及实施例对本专利技术进一步详细说明。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：对基底进行预处理；在所述基底生长FeCo2O4前驱体；高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底，使基底上的FeCo2O4前驱体转化成FeCo2O4，形成锂空气电池非碳正极。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，在正极基底上采用直接合成催化剂，也就是将催化剂直接负载或生长于集流体上。然后通过煅烧使得金属氧化物催化剂FeCo2O4直接生长于基底，形成大孔/介孔并存的多孔非碳正极。由此使获得的非碳正极易形成自支撑型的三维多孔有序结构，3D自支撑结构的空气正极不仅可以避免碳材料的氧化分解问题，消除添加粘结剂所带来的影响，还可增加电极与电解液的接触面积，为电池内部的氧化还原反应提供更多的活性位点。此外，活性材料与基底的完全贴合，增强了离子和电子的传导率。具体地，所述基底为泡沫镍。具体地，所述对基底进行预处理包括：将未经处理的泡沫镍裁剪成直径为3.5cm的圆片；将所述圆片置于丙酮中浸泡5min，用去离子水反复冲洗后置于浓度为3M～9M(优选6M)的HCl溶液浸泡15min；将浸泡后的泡沫镍依次用去离子水和无水乙醇反复冲洗，然后干燥。具体地，所述去离子水与无水乙醇的体积比为1:1。经过预处理后的泡沫镍可排除不利于生长金属氧化物的因素，如泡沫本文档来自技高网...

【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：对基底进行预处理；在所述基底生长FeCo2O4前驱体；高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底，使基底上的FeCo2O4前驱体转化成FeCo2O4，形成锂空气电池非碳正极。

【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：对基底进行预处理；在所述基底生长FeCo2O4前驱体；高温煅烧生长FeCo2O4前驱体的基底，使基底上的FeCo2O4前驱体转化成FeCo2O4，形成锂空气电池非碳正极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底为泡沫镍。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对基底进行预处理包括：将基底裁剪成所需的尺寸；将所述基底置于丙酮中浸泡，用去离子水冲洗后置于浓度为3M～9M的HCl溶液浸泡；将浸泡后的基底依次用去离子水和无水乙醇冲洗，然后干燥。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述基底生长FeCo2O4前驱体包括：称量FeCl2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O、尿素及氟化铵，混合后依次加入去离子水和乙二醇，搅拌至固态试剂完全溶解，得混合液；预处理后的基底置于反应釜底部，导入所述混合液，...

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