基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂及包含该催化剂的锂-氧气电池制造技术

本发明专利技术公开了一种基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂及包含该催化剂的锂

【技术实现步骤摘要】
基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂及包含该催化剂的锂
‑
氧气电池


[0001]本专利技术属于二次新能源电池领域，具体涉及一种基于回收的废旧铁锂电池制备的正极催化剂及其在锂
‑
氧气电池中的应用。

技术介绍

[0002]现如今化石能源依旧是我们主要的能源来源，但其终将有用完的一天，因此寻找新能源来补充甚至是替代化石能源成为人们的目标。近年来，新能源二次电池的开发带来了新的希望，其中，金属
‑
空气电池作为新一代绿色二次电池的代表作之一，被称为“面向21世纪的绿色能源”。
[0003]锂
‑
氧气电池由于拥有很高的理论能量密度得以被广泛关注,在电动汽车行业有者很大的应用前景，被认为是替代锂离子电池的下一代储能体系。然而，放电产物Li2O2的带隙在4.2
‑
4.5 eV之间，这一绝缘子特性限制了其电子导电性。因此，放电产物Li2O2的低电子电导特性导致电极钝化而使得放电过早结束。反应动力学受慢速阴极氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的限制。目前锂
‑
氧气电池仍存在容量低、倍率低、循环寿命短等问题。由于电化学反应发生在空气正极中，因此研制具有良好ORR和OER活性的有效正极催化剂材料是十分必要的。
[0004]磷酸铁锂电池具有许多优势，如绿色环保、使用安全、循环寿命较长等等，在储能、新能源汽车等领域的优势明显，它的市场需求呈现逐年增长的趋势。但万事都有两面性，随着退役电池数量的逐年攀升，回收退役磷酸铁锂电池也变得迫在眉睫。磷酸铁锂正极材料约占电池生产成本的40%，因此高附加值回收磷酸铁锂电池正极材料具有重要的经济意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂及其包含该正极催化剂的锂
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氧气电池，通过将回收的废旧磷酸铁锂制备的正极催化剂二次利用于锂
‑
氧气电池体系中，能够降低锂
‑
氧气电池的充放电过电位，从而提高锂
‑
氧气电池体系的能源转换效率和循环稳定性。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个方面，提供了一种基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂及其方法，包括：
[0008]（1）将基于放电状态下回收的废旧磷酸铁锂电池放入铜粉中短路，使电池放电至1 V以下；
[0009]（2）在密封手套箱中将步骤（1）所得电池或基于充电状态下回收的废旧磷酸铁锂电池拆解后得到内部电芯，随后为了除去电芯中的有机电解液，将电芯浸泡在N
‑
N二甲基甲酰胺中一段时间，取出、晾干并分开得到正极片；
[0010]（3）将上一步得到的正极片剪成一定尺寸的碎片，为了去除正极片中的集流体铝
箔和电解质LiPF6，将其浸泡在浓度为1 mol
·
L
‑1的KOH溶液中反应6~8小时，然后过滤，将过滤后的固体残余物进行清洗，干燥研磨成粉末并用100目的筛子过筛，将过筛后的粉末依次用蒸馏水和无水乙醇清洗后干燥， 即得需回收的正极材料；
[0011]（4）为了去除需回收的正极材料中的有机粘结剂和导电添加剂，将需回收的正极材料置于马弗炉中煅烧，即得正极催化剂。
[0012]较佳的，步骤（3）中，将电芯浸泡在N
‑
N二甲基甲酰胺中4~5小时。
[0013]较佳的，步骤（3）中，碱为KOH，碱溶液浓度为1.0 mol/L。
[0014]较佳的，步骤（4）中，煅烧温度为400 o
C，时间5 h。
[0015]较佳的，步骤（4）中，煅烧程序设置为：时间5h、温度400℃、气氛为空气气氛。
[0016]本专利技术的第二个方面，提供了一种包含所述基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂的锂
‑
氧气电池，以上述基于废旧铁锂电池制备的正极催化剂作为锂
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氧气电池正极催化剂材料。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]（1）本专利技术制备的基于废旧铁锂电池磷酸铁锂正极材料制备的正极催化剂本身富含Fe、Li两种金属元素，表现出优异的催化性能，可显著降低锂
‑
氧气电池的充放电过电位，提高相应电池的能量转换效率和循环稳定性能，可在电动汽车、无人机等领域中大规模应用。
[0019]（2）本专利技术制得的正极催化剂材料形貌与电化学性能具有良好的可重复性，高比容量，优异的循环稳定性，经实验验证该正极催化剂均降低了锂
‑
氧气电池的充放电之间的电压差，具有良好的应用前景。
[0020]（3）本专利技术制备过程简单，产率高，产量大，推动了锂
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氧气电池的商业化进程。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备的Fe
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C（a）和实施例2制备的Fe
‑
D（b）的XRD图谱。
[0022]图2是本专利技术实施例1制备的Fe
‑
C（a）和实施例2制备的Fe
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D（b）的扫描电镜SEM图。
[0023]图3是本专利技术实施例1制备的Fe
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C、实施例2制备的Fe
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D和商业Ketjen Black碳在限定电流密度 100 mA
·
g
‑1，限定容量1000 mAh
·
g
‑1下的首圈充放电曲线图（a）以及以Fe
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C和Fe
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D分别作正极催化剂的锂
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氧气电池在限定电流密度 100 mA
·
g
‑1下的全充放曲线图（b）。
[0024]图4是本专利技术实施例1制备的Fe
‑
C（a）和实施例2制备的Fe
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D（b）的首圈循环伏安曲线图。
[0025]图5是本专利技术实施例1制备的Fe
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C和实施例2制备的Fe
‑
D正极催化剂的锂
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氧气电池在限定电流密度 100/200/400 mA
·
g
‑1，限定容量1000 mAh
·
g
‑1下的循环曲线图，其中，（a）：Fe
‑
C，100 mA
·
g
‑1；（b）：Fe
‑
D，100 mA
·
g
‑1；（c）：Fe
‑
C，200 mA
·
g
‑1；（d）：Fe
‑
D，200 mA
·
g
‑1；（e）：Fe
‑
C，300 mA
·
g
‑1；（f）：Fe
‑
D，300 mA
·
g
‑1。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于废旧铁锂电池制备正极催化剂的方法，其特征在于，该正极催化剂用于锂
‑
氧气电池，包括：（1）将基于放电状态下回收的废旧磷酸铁锂电池放入铜粉中短路，使电池放电至1 V以下；（2）在密封手套箱中将步骤（1）所得电池或基于充电状态下回收的废旧磷酸铁锂电池拆解后得到内部电芯，将该电芯浸泡在N
‑
N二甲基甲酰胺中一段时间，取出、晾干并分开，得到正极片；（3）将上一步得到的正极片剪成一定尺寸的碎片，将其浸泡在浓度为1 mol
·
L
‑1的KOH溶液中反应6~8小时，然后过滤，将过滤后的固体残余物进行清洗，干燥研磨成粉末并用100目的筛子过筛，将过筛后的粉末依次用蒸馏水和无水乙醇清洗后干燥，即得需回收的正极材料；（4）将需回收的正极材料置于马弗炉中煅烧，即得正极催化剂。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，将电芯浸泡在N
‑
N二甲基甲酰胺中4~5小时。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，碱为KOH，碱溶液浓度为1.0 mol/L。...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯宁宁，孙鑫杰，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：