[发明专利]原位掺杂有催化活性组分的碳材料在锂-空气电池中应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂空电池领域，特别涉及一种电极材料在锂空电池中的应用。

背景技术

随着电子、通信设备以及电动车的迅速发展，人们对电池性能提出更高要求。锂-空气电池是一种以金属锂为负极，空气电极为正极的二次电池。作为负极材料的金属锂具有最低的理论电压，其理论比容量高达3,862mAh/g，而作为正极活性物质的氧气可直接从空气中获得，因此，锂-空气电池具有极高的比容量及比能量。以锂为标准，其理论比能量密度可达11,140Wh/Kg，而实际比能量也远高于锂离子电池，在民用及军用领域极具应用前景。

目前，锂-空气电池主要采用各种碳材料作为正极材料，通过混入PTFE，PVDF，Nafion等粘结剂，采用冷压，热压，刮涂等方法制备空气电极。作为电化学反应发生的场所，碳材料表面沉积放电产物-锂氧化物，其比表面积，孔容，孔径分布对电池性能，尤其是充放电容量具有重要的影响。因此寻找合适孔结构的多孔碳材料对提高电池的比容量具有重要意义。

此外，在空气电极中添加催化剂，可有效促进充放电反应的进行，降低电极反应过电势，提高锂-空气电池的能量转换效率，同时，催化剂的加入也有利于电池放电容量的提高。目前研究的催化剂包括贵金属Pt、Au、Pd等，以及以氧化锰为代表的各类氧化物，但催化剂的具体作用机理仍未解释清楚。

如图1所示，为锂-空气电池正极放电反应过程模拟图。放电反应在液体电解质溶液与碳粉之间构建的固液两相界面上进行，生成固体不溶产物-锂氧化物，充电过程中，锂氧化物在该界面分解。向电极内混入催化活性组分，若活性组分均匀分散于碳材料的表面，即电极反应场所，可最大限度地得到利用。

目前，在电极的制备过程中，碳材料与催化活性组分的混合方式主要有两种，一种是将碳材料与催化剂机械混合，一种是将催化剂担载于碳材料之上。首先，机械混合的方式，催化剂与碳材料混合的均一程度有限，不能保证所有的碳材料表面均有催化剂的存在，因此催化剂的利用率较低。采用催化剂担载于碳材料表面的形式，可在一定程度上提高二者的混合均一程度，但也不能保证所有的碳材料表面均有催化剂的存在，比如，受限于催化剂粒子粒径的大小，碳材料某些孔道不能沉积催化剂粒子。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种原位掺杂有催化活性组分的碳材料应用于锂-空气电池中。

所述原位掺杂有催化活性组分的碳材料用作锂-空气电池中的电极材料；

所述催化活性组分原位掺杂于碳材料中，催化活性组分在碳材料中所占质量分数为1-80％。

催化活性组分为金属和/或金属氧化物；其中金属为Fe、Cu、Ni、Ag、Pt、Pd、Au、Ir或Ru中的一种或二种以上，金属氧化物为Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W或V的氧化物中的一种或二种以上。

所述碳材料采用硬模板法、软模板法或溶胶凝胶法制备而成。

硬模板法：于SBA-15有序介孔SiO₂中浸渍碳源和催化活性组份前驱体，于500-1700℃氩气或氮气下进行炭化，并用酸或碱去除SBA-15模板，经过滤、洗涤、干燥，即得原位掺杂活性组分的碳材料。

所述硬模板法当模板为纳米粉体时采用如下步骤制备：

按所需比例将碳源、活性组分前驱体加入去离子水中搅拌溶解，然后加入纳米粉体，于50-80℃加热并机械搅拌，待水分完全蒸发后真空60-80℃干燥；

干燥后的产品放入高温管式炉炭化，炭化所使用的惰性气体为氮气或氩气，炭化温度范围在500-1700℃，炭化时间控制在1-8h，得到纳米粉体/活性组分/碳复合物，用酸或碱去除纳米粉体模板，经过滤、干燥，即得原位掺杂活性组分的复合碳材料；

所述纳米粉体与碳源的质量百分比范围在600％-10％；

纳米粉体包括碳酸镁、碳酸钙、氧化镁、醋酸镁、葡萄糖酸镁、氧化铜、氧化锌、氧化亚铁、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锡、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、三氧化钼、三氧化二钒或氧化钛的纳米粉末中的一种或二种以上。

所述碳源为蔗糖、葡萄糖、糠醇或酚醛树脂或间苯二酚甲醛树脂；催化活性组分前驱体为含Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Pt、Pd、Au、Ir、Ru、Cr、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W及V的一种或多种金属盐；金属盐为金属的硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物、二亚硝基二胺盐、乙酰丙酮化物、或大环络合物卟啉化物、酞箐化物中的一种或二种以上可共溶性盐。