空气电极制备方法及金属空气电池技术

本发明专利技术提供一种空气电极制备方法及金属空气电池，以提高电池的性能。空气电极制备方法包括如下步骤：S1，将碳材料、催化剂材料混合于溶剂中，得到前驱体混合溶液，其中碳材料的质量百分比为50％～90％，催化剂材料的质量百分比为10～50％；所述催化剂材料为含过渡金属元素的化合物；S2，将前驱体混合溶液低温冷冻，冷冻温度为

【技术实现步骤摘要】
空气电极制备方法及金属空气电池


[0001]本专利技术涉及储能器件与材料领域，具体涉及一种空气电极制备方法及金属空气电池。

技术介绍

[0002]金属空气电池是安全高效的能量转换与存储装置，在便携式移动设备、备用电源、新能源汽车等领域有着十分广阔的应用前景。其中金属锂、金属钠具有高的电化学当量和理论电压，相应的金属空气电池理论能量密度分别达到5200Wh/kg和2640Wh/kg，是下一代储能电源的研究热点。
[0003]目前金属空气电池还有很多问题等待解决。非水体系锂/钠空气电池是一个涉及气、液、固三相反应的新型二次电池，空气电极一般需要具有良好的导电性和氧化还原特性，应提供较高的电化学比表面积，提高总反应的化学驱动力。由于放电产物过氧化物/超氧化物等不溶于电解液，会沉积在空气电极孔道中，引起孔道堵塞并覆盖催化活性点，导致电池过早失效，因而需要一定的孔隙来容纳放电产物。为了保证电解液和空气的流通，空气电极还需要孔分布的最优化以提高空气和离子输运速率，同时避免放电产物堆积导致的孔堵塞问题。放电容量与孔径大小和孔容积密度密切相关，过小的孔和过大的孔都不利于氧气的还原，孔过小容易被放电产物堵塞，从而阻止O2的进一步扩散；孔过大，电解液将完全润湿整个空气电极，二相界面代替三相界面，不利于容纳更多的放电产物。因此，空气电极不仅要保证足够的电解液和空气的流动通路，还要容纳放电产物，电极的多级结构设计对电池性能至关重要。
[0004]常见的电极制作方法是在碳纸、泡沫镍等多孔集流体上涂覆高比表面积的碳材料和催化剂材料，这种方法操作简单，但是由于制备过程碳颗粒容易聚集成团，所以最终往往比表面积偏小，电极内部的孔隙有限。还有一种常见的方法是采用模板法，优点是形貌规则，孔隙率较高，但是由于最终的模板需要二次化学法去除，操作繁复。金属空气电池的开发关键是具有合适孔径分布和比表面积的空气电极结构设计，综合考虑放电产物的储存、气体扩散、电解液浸润、离子扩散和电子传导等因素对气
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液
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固三相界面形成和电池性能的影响，优化空气电极的设计和制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种空气电极制备方法及金属空气电池，以提高电池的性能。
[0006]为了达到上述的目的，本专利技术提供一种空气电极制备方法，包括如下步骤：S1，将碳材料、催化剂材料混合于溶剂中，得到前驱体混合溶液，其中碳材料的质量百分比为50％～90％，催化剂材料的质量百分比为10～50％；所述催化剂材料为含过渡金属元素的化合物；S2，将前驱体混合溶液低温冷冻，冷冻温度为
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50～
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10℃；S3，将冷冻后的前驱体混合溶液进行真空升华干燥，获得含有多孔结构的空气电极。
[0007]上述空气电极制备方法，其中，所述碳材料为碳纳米管、碳纳米线、碳纤维、科琴黑、石墨烯、活性炭、Super
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P、可乐丽、NORIT碳中的一种或几种。
[0008]上述空气电极制备方法，其中，过渡金属元素选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cr中的一种或两种以上。
[0009]上述空气电极制备方法，其中，所述溶剂为水、乙醇、丙酮、N
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甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上。
[0010]上述空气电极制备方法，其中，步骤S3中，真空度为3Pa～30Pa，干燥时间为2h～6h。
[0011]本专利技术提供的另一技术方案是一种金属空气电池，正极为采用上述空气电极制备方法制备的空气电极。
[0012]上述金属空气电池，其中，所述金属空气电池还包括负极、电解液和隔膜；所述负极为金属锂或金属钠，所述电解液为有机电解液。
[0013]上述金属空气电池，其中，所述电解液为1mol/L的LiTFSI/TEGMDE有机溶液。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果是：
[0015](1)本专利技术的空气电极的多孔结构主要以大孔为主，足以容纳微米级尺寸的放电产物，可以提高电池放电容量；
[0016](2)本专利技术的空气电极制备方法简单；
[0017](3)本专利技术的空气电极具有很好的弹性，可以有效缓解充放电过程中金属空气电池的体积变化；
[0018](4)本专利技术的过渡金属化合物/碳复合材料中，过渡金属化合物材料作为空气电极催化剂材料促进了氧还原反应和氧析出反应的可逆进行；
[0019](5)本专利技术的金属空气电池具有良好的电化学性能，并且材料成本低廉，可广泛应用于电子器件、应急电源、动力电源等领域。
附图说明
[0020]本专利技术的空气电极制备方法及金属空气电池由以下的实施例及附图给出。
[0021]图1为本专利技术实施例1的金属空气电池用空气电极SEM图。
[0022]图2为本专利技术实施例1的金属空气电池充放电曲线图。
具体实施方式
[0023]以下将结合图1～图2对本专利技术的空气电极制备方法及金属空气电池作进一步的详细描述。
[0024]本专利技术的空气电极制备方法包括如下步骤：
[0025]S1，将碳材料、催化剂材料混合于溶剂中，得到前驱体混合溶液，其中碳材料的质量百分比为50％～90％，催化剂材料的质量百分比为10～50％；
[0026]所述碳材料为碳纳米管、碳纳米线、碳纤维、科琴黑(ketjenblack)、石墨烯、活性炭、Super
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P、可乐丽、NORIT碳中的一种或几种；
[0027]所述催化剂材料为含过渡金属元素的化合物，过渡金属元素选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cr中的一种或两种以上；
[0028]所述溶剂为水、乙醇、丙酮、N
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甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上；
[0029]S2，将前驱体混合溶液低温冷冻，冷冻温度为
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50～
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10℃；
[0030]S3，将冷冻后的前驱体混合溶液进行真空升华干燥，获得含有多孔结构的空气电极，真空度为3Pa～30Pa，干燥时间为2h～6h。
[0031]本专利技术的金属空气电池包括正极、负极、电解液和隔膜；采用所述空气电极制备方法制备的空气电极为正极，负极采用金属片，电解液采用有机电解液，优选为1mol/L的LiTFSI/TEGMDE电解液。本专利技术的金属空气电池可作为一次电池使用，也可作为二次电池使用。
[0032]本专利技术的空气电极制备方法主要是基于冷冻干燥成型技术：将混有碳材料和催化剂材料的溶液混匀后冷冻干燥，借助冷冻过程中冰晶生成过程中的挤压作用，将碳材料和催化剂材料挤压成多孔电极的腔壁，待冰晶升华后，就形成了具有三维结构的多孔电极，其形貌如图1所示。该多孔电极由微米级不规则形状的空腔组成，而腔壁因为是由碳材料和催化剂材料“织”成，也呈多孔结构，将有利于电解液和空气在空气电极内部的输送。从断面图(SEM图)中可以看出，空腔的尺寸大多在微米级以上，足以保证大尺寸放电产物的存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.空气电极制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将碳材料、催化剂材料混合于溶剂中，得到前驱体混合溶液，其中碳材料的质量百分比为50％～90％，催化剂材料的质量百分比为10～50％；所述催化剂材料为含过渡金属元素的化合物；S2，将前驱体混合溶液低温冷冻，冷冻温度为
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50～
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10℃；S3，将冷冻后的前驱体混合溶液进行真空升华干燥，获得含有多孔结构的空气电极。2.如权利要求1所述的空气电极制备方法，其特征在于，所述碳材料为碳纳米管、碳纳米线、碳纤维、科琴黑、石墨烯、活性炭、Super
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P、可乐丽、NORIT碳中的一种或几种。3.如权利要求1所述的空气电极制备方法，其特征在于，过渡金属元素选自Mn...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛亚，马尚德，郭瑞，裴海娟，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：