一种锂-二氧化碳电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂

A cathode material for lithium carbon dioxide battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂
‑
二氧化碳电池材料领域，涉及锂
‑
二氧化碳电池正极材料，具体地说是一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂
‑
二氧化碳电池是一种新型的超高能量密度(1876W
·
h/kg)电池体系，它利用金属锂和二氧化碳之间的氧化还原反应实现了储能和固碳的双重作用。然而，放电产物碳酸锂具有一定的电子绝缘性和热力学稳定性，需要较高的充电过电位才能完全分解。但这种高充电过电位不可避免地会加剧电解液的分解和电极的氧化，导致锂
‑
二氧化碳电池循环性能差，能量效率低，阻碍了其实际应用和推广。因此，开发高效廉价的正极材料是推动锂
‑
二氧化碳电池发展的关键。
[0003]到目前为止，碳材料和过渡金属的氧化物/碳化物/氮化物(支撑在碳衬底上)已被用作锂
‑
二氧化碳电池的正极材料。其中，碳材料因其大的比表面积、高的导电率和低廉的价格成为极具吸引力的候选材料。然而，单纯的碳材料(如导电碳黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯等)的催化活性极其有限，很难实现放电产物碳酸锂的高效可逆分解，使得电池循环性能差。同时，这些碳材料大都是粉末样品，在后期，我们需要将其与聚合物粘合剂按一定配比混合制成浆料，并涂覆在透气的集流体上，然后才能作为气体电极正常工作。然而，聚合物粘合剂的加入不仅会导致部分活性中心的损失，还会导致活性位点分布不均，使催化性能明显衰减，电池能量效率降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的，旨在要提供一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，以解决锂
‑
二氧化碳电池循环性能差、能量效率低的问题；
[0005]本专利技术的另一个目的，是要提供上述锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，它的BET比表面积为400～600m2g
‑1，孔径为5～100nm，含氮量为2～8at％。
[0008]本专利技术还提供了上述一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法，包括依次进行的以下步骤：
[0009]S1.取尿素升温至450～600℃，保持2～4h，得到石墨相氮化碳；
[0010]S2.将尿素、石墨相氮化碳和淀粉加入去离子水中，混匀，加热至80～100℃，冷却至室温，得到水凝胶；
[0011]S3.将水凝胶冻干脱水，在惰性气体中碳化，即得所述锂
‑
二氧化碳电池正极材料。
[0012]作为一种限定，有效成分的原料以重量份数计，
[0013]步骤S1中尿素为10～30份；
[0014]步骤S2中尿素为1～3份，石墨相氮化碳为1～3份，淀粉为8～12份，去离子水为200
～300份。
[0015]作为另一种限定，所述淀粉为豌豆淀粉或马铃薯淀粉。
[0016]作为第三种限定，所述惰性气体为氩气和/或氦气。
[0017]作为第四种限定，所述升温，速度为2～5℃/min。
[0018]作为第五种限定，所述加热过程中搅拌。
[0019]作为第六种限定，所述碳化，升温速度为2～10℃/min，最终温度为700～900℃，恒温1～3h。
[0020]由于采用了上述技术方案，本专利技术与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
[0021]①
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法，利用石墨相的氮化碳诱导淀粉糊化呈片状生长，再将糊化后的胶体进行冻干脱水，既脱去了水分，也保持住了相互交联的三维纳米片结构，相比于传统的碳材料(如炭黑，科琴黑等)易于堆叠聚合，这种相互交联的纳米片将具有更强的机械稳定性，更多的活性比表面积和更高的导电能力；
[0022]②
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法，在高温碳化过程中，提前加入的尿素热解制造了多孔结构，相互折叠的纳米片结构提供了丰富的大孔和微孔，这不仅有助于电子传输和Li/CO2的扩散，同时也有利用放电产物的存储，增加了电池的放电容量；
[0023]③
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法，工艺简单、生产成本低，易于实现规模化生产，对锂
‑
二氧化碳电池的商业化具有重要意义；
[0024]④
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，是由纳米片组成的自支撑结构，可以直接用于组装锂
‑
二氧化碳电池，不需要再添加其他的导电剂或聚合物粘结剂；
[0025]⑤
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，经冻干后高温碳化产生大量的石墨形态的碳，提高了电极材料的导电性，同时含有大量的吡啶氮与石墨氮，为锂
‑
二氧化碳电池提供了丰富的活性位点；
[0026]⑥
本专利技术提供的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，显著提高了锂
‑
二氧化碳电池的电化学性能，在电流密度为0.05mA cm
‑2，容量限制在0.25mAh cm
‑2下，过电位可降低到1.60V，并且电极能够稳定充放电循环超过600小时(60个循环)不衰减。
[0027]本专利技术的制备方法适用于制备循环性能好、能量效率高的锂
‑
二氧化碳电池正极材料，制备出的锂
‑
二氧化碳电池正极材料不需添加其他粘结剂，可直接用于组装电池。
附图说明
[0028]图1为实施例1中锂
‑
二氧化碳电池正极材料在透射电子显微镜中的微观形貌图；
[0029]图2为实施例1中锂
‑
二氧化碳电池正极材料的X射线光电子能谱全谱扫描图；
[0030]图3为实施例1中锂
‑
二氧化碳电池正极材料的X射线光电子能谱高分辨N1s图；
[0031]图4为实施例1中锂
‑
二氧化碳电池正极材料的多孔结构的分布图；
[0032]图5为实施例1中应用了锂
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二氧化碳电池正极材料的锂
‑
二氧化碳电池的循环伏安图；
[0033]图6为实施例1中锂
‑
二氧化碳电池正极材料作为锂
‑
二氧化碳电池电极时的充放电5、10、20、30、50、60个循环时的电压曲线图。
具体实施方式
[0034]下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解所描述的实施例仅用于解释本专利技术，并不限定本专利技术。
[0035]实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料，其特征在于，它的BET比表面积为400~600m2g
‑1，孔径为5~100nm，含氮量为2~8at%。2.根据权利要求1所述的一种锂
‑
二氧化碳电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：S1.取尿素升温至450~600℃，保持2~4h，得到石墨相氮化碳；S2.将尿素、石墨相氮化碳和淀粉加入去离子水中，混匀，加热至80~100℃，冷却至室温，得到水凝胶；S3.将水凝胶冻干脱水，在惰性气体中碳化，即得所述锂
‑
二氧化碳电池正极材料。3.根据权利要求2所述的一种锂
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二氧化碳电池正极材料的制备方法，其特征在于，有效成分的原料以重量份数计，步骤S1中尿素为10~30份；步骤S2中尿素为1~3份，石墨相氮化碳为1~3份，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖春辉，王珂，刘理民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：