本发明专利技术属于锂空气电池技术领域，具体涉及一种基于碳材料的锂空气电池氧电极的制备方法。即以多种碳材料或掺杂改性后的碳材料为催化剂，用于纯有机电解液体系或者无机/有机电解液杂化体系锂空气电池中。该类电极材料可以免去氧电极材料中的贵金属材料，从而大大降低锂空气电池的成本。氧电极材料的催化活性物质为泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭、g-C3N4中的一种或几种，或氮、硼掺杂的泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭中的一种或几种，或化学通式为MeX/C的碳复合材料，其中Me为钛、钒、铬、铁、锰、镁、钼有机化合物中的一种或多种合金，X为硒、硫、氮，C为碳，Me与X的重量比为0～60％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂空气电池
，具体涉及基于碳材料的锂空气电池氧电极的制备方法，该电极具有较大的比表面，良好的导电能力及电催化性能，免去了氧电极中贵金属钼或金的用量。
技术介绍
随着化石类燃料价格的飞涨，通过高效的电源代替石油类产品，从而为机动车辆提供动カ支持，已经成为现代社会发展的迫切要求。锂离子电池作为ー种具备较高比能量(150-250ffh kg—1)，可以二次充放、环境友好的化学电源，一直被视为电动车与混合动カ车动カ电源的最佳候选者。然而，根据日本NEDO发布的电动车混合动カ车研发计划表，2030年电动车电源的能量密度极化达到700Wh kg—1。目前的锂离子电池(基于石墨负极，锂钴氧或磷酸铁锂正扱)显然不能满足这一目标的要求。限制锂离子电池储能的核心因素在于正极材料较低的比容量(一般不高于200mAh g—1)。开发ー种新型，廉价的正极材料以提升 电源的能量密度一直是锂电池的发展方向。锂空气电池，作为ー种以空气为正极材料的新型锂离子电池，成为目前科学研究关注的焦点。锂空气电池的正极材料——氧气，并不需要贮存在电池中。其理论能量密度为szoowhkg-1，在实际应用中，氧气由外界环境提供，因此去掉氧气的质量后，能量密度达到llMOWhkg—1，高出现有的电池体系1-2个数量级。如果锂空气电池能在2030年前实现产业化，巨大的能量密度将推动动カ电源的飞跃性发展。同时作为一种环境友好，成本低廉的化学电源，锂空气电池必将在航空和移动能源领域中有广泛的应用。锂空气电池的研究刚刚起歩，一些课题组已经报道了前期的探索工作，K. M. Abraham首次报导锂空气电池的文章，介绍了以凝胶聚合物为电解质的锂空气电池。J. Re a d在锂空气电池放电机理、电极材料以及电解液组成方向做了大量的工作。P. G. Bruce在锂空气电池充电机理研究上做出重大贡献。Yamamoto和Haoshen Zhou课题组分别报道了无机/有机杂化体系的锂空气电池的研究进展。而丰田、东芝、日本电报电话等公司也申请多项与锂空气电池器件组装、催化材料相关的国际专利(JP10083836(A)；JP2005166685 (A) ； JP2008112724 (A) ；W02010073332 (Al) ；JP2010033890 (A)；JP2010135144(A))。在锂空气电池空气电池的研究中，N. Imanishi等报道了ー种以Pt网作为催化剂，氧电极端为水性电解质的锂空气电池，是锂空气电池的开路电位提高到3. 8V，同时减小了充放电平台间的极化现象。PG Bruce课题组报道了基于不同晶型的MnO2作为催化剂的锂空气电池，并对其充放电的循环性能以及放电产物的积累进行探讨。夏永姚小组报道了一种以介孔碳作为催化剂的锂空气电池，其放电容量高于以炭黑作为催化剂的锂空气电池。Shao-Horn Yang等人报到了ー种基于复合金属(Pt、Au)纳米颗粒催化剂构建的氧电极,在纯有机电解液体系中，将充放电平台的极化降低到IV以内。上述研究均取得了一定的研究进展，而如何获得廉价(没有贵金属添加)且高效的催化剂，仍是目前的研究热点。碳材料因其比表面积大、良好的电子导电性，较好的电催化活性，且成本低廉而广受关注。本
技术实现思路
本专利技术的目的在于制备一种空气电极，电极材料为碳材料或掺杂改性后的碳材料或碳复合材料。本专利技术的目的还在于将上述空气电极应用于全有机体系锂空气电池中。本专利技术的目的还在于将上空气电极应用于有机/无机杂化电解液体系锂空气电池中。本专利技术中碳材料包括为泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭、g-C3N4中的ー种或几种。本专利技术中掺杂改性后的碳材料包括氮、硼掺杂的泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭中的ー种或几种。本专利技术中碳复合金属硒化物、硫化物、氮化物材料指化学通式为MeX/C的材料，其中Me为钦、f凡、络、铁、猛、续、钥有机化合物中的一种或多种合金，X为砸、硫、氣，C为碳，Me与X的重量比为0 60%。本专利技术提供利用上述电极材料制备空气电极的方法将上述材料、粘结剂PTFE按重量比90 10的配比混合。将其均匀的擀压成片，切割成IcmXlcm的薄片，将其压覆于泡沫镍集流体上，控制压力在l_5MPa。 本专利技术的碳材料具备较大的比表面积(> 20( ^1)和较好的导电性，所以在锂空气电池空气电极的应用中表现出了较高的电催化活性，降低了锂空气电池充放电平台间的极化，其中在全有机体系中，其比放电平台可达2. 7V，在有机/无机杂化电解液体系中其充放电平台间的极化可以减小到0. 17V。附图说明附图I石墨烯/碳纳米管复合材料的透射电镜、扫描电镜图。附图2石墨烯/碳纳米管复合材料在碱性电解液中的氧气还原的循环伏安曲线。附图3有机/无机杂化体系锂空气电池装置示意图。附图4石墨烯/碳纳米管复合材料空气电极在杂化体系中的充放电曲线。附图5石墨烯/碳纳米管复合材料在有机电解液DME中的氧气还原的循环伏安曲线。附图6全有机电解液体系锂空气电池装置示意图。附图7石墨烯/硒复合材料在碱性电解液中的氧气还原的循环伏安曲线。具体实施例方式下面用实施例来进ー步阐述本专利技术，但本专利技术并不受此限制。实施例I在500ml的烧杯中加入69ml 98%浓硫酸，用冰水冷至4°C左右，搅拌中加入3g石墨和I. 5g NaNO3的混合物，激烈搅拌，缓慢加入9g KMnO4粉末，同时控制温度在20°C以下，KMnO4加料完毕后移去冰水浴，将上混合物放入温度为40°C的水浴锅内搅拌15min ;然后升温至45°C，搅拌约15min ;升温至50°C，搅拌15min ;再升温至55°C，搅拌15min ;再升温至60°C，搅拌15min ;最后升温至65°C，搅拌15min，缓慢加入138ml水(50°C水)，使温度上升至90°C，在此温度下維持30min，壁内由紫色变为黄色；用温水(约50°C )稀释到420ml，倒入7ml的H2O2 (30% )，颜色由紫红色变为黄棕色，同时有黄色泡沫产生，趁热过滤洗涤获得氧化石墨。获得氧化石墨(GO)与碳纳米管(CNT)按I : 4的比例混合，在用こ醇溶液中超声分散，得到复合材料(图I)。干燥后将上述复合材料与粘结剂PTFE按重量比90 10的配比混合。将其均匀的擀压成片，切割成IcmX Icm的薄片，将其压覆于泡沫镍集流体上，控制压カ在ト5MPa，制得空气电极。如图I所示，该空气电极在LiNO3(IM)/LiOH(0. 5M)的电解液中，表现出对氧气的高效的电催化能力。基于G0/CNT电极，组装有机/无机杂化体系锂空气电池。装置如图3所示，以GO/CNT空气电极、锂离子快导体(LISCON)作为隔膜、锂片作为阳极。在LISCON与锂片之间加 垫ー层浸润了 IM LiPF6的EC/DMC(EC DMC = I I)有机电解液的玻璃纤维。在空气电极与LISCON间加入无机电解液LiNO3(IM)/LiOH(0. 5M)。如图4所示，G0/CNT电极催化剂表现出了良好的催化还原氧气的能力，在0. ImA/cm2的电流密度下，其充放电平台间的电本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种锂空气电池空气氧电极的电极材料，其特征在于以碳材料或掺杂改性的后的碳材料或碳复合材料作为锂空气电池空气电极催化活性材料，比表面积大于200!!! '碳氧比大于50 1，小于10 I。2.如权利要求书I中所述的碳材料其特征在于为泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭、g-C3N4中的ー种或几种。3.如权利要求书I中所述掺杂改性的碳材料其特征在于为氮、硼掺杂的泡沫碳、石墨粉、中间相碳微球、石墨烯、氧化石墨、碳化纳米管、碳纤维、介孔碳、活性炭中的一种或几种。4.如权利要求书I中所述的碳复合材料其特征在于化学通式为MeX/C，其中Me为钛、钒、铬、铁、锰、镁、钥有机化合物中的ー种或多种合金，X为硒、硫、氮，C为碳，Me与X的重量比为0 60%。5.如权利要求书I中所述的锂空气电池，其特征在于电解液体系为全有机电解液体系或有机/无机杂化电解液体系。6.如权利要求书3中所述的有机电解液体系包括所用锂盐可以是LiPF6、Li...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔光磊，董杉木，陈骁，王晓刚，张立学，许高洁，刘志宏，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：
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