[发明专利]一种以石墨烯/氧化物复合材料为空气电极催化剂的锂空气电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种锂空气电池催化剂的制备方法，及采用该催化剂的锂空气电池。

背景技术

伴随着经济的不断发展，石油资源日益枯竭，自然环境不断恶化，全球变暖不断加剧，寻找清洁能源替代原有的化石能源已经成为人类迫切需要解决的问题。以电池作为能源替代原有的化石燃料作为机动车辆的能源成为了全世界的研究热点。近二十年来，以锂电池为主导的电池系统在移动设备领域取得了巨大的成功，这是因为在所有的负极材料中，金属锂具有最高的电化学容量(3860mAh/g)，最低的电压，最高的电子电导率。但是，目前的锂电池的能量密度无法达到纯电动车的要求，其中锂电池中的正极材料局限了锂电池的储能性能，大部分电极材料(如钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂)电化学容量都小于200mAh/g。另一方面，锂空气电池提供了很好的电化学性能。不同于传统的锂离子电池，锂空气电池的正极采用多孔扩散电极，正极的活性物质-氧气(空气)并不存储在电池中。在电池的放电过程中，氧气从外界扩散到多孔电极中，与电解液中的锂离子进行反应生成过氧化锂或氧化锂。排除氧气后，锂空气电池的能量密度可达到11680Wh/kg，高出现有电池体系1-2个数量级。锂空气电池的研究在最近两年得到了世界各国的广泛重视，已经成为最新的研究热点，尤其是二次锂空气电池已经被认为是取代目前锂离子电池作为电动车能源的理想选择。

由于金属锂与水反应剧烈，锂空气电池有别于常见的采用水溶液为电解液的金属空气电池(如锌空气电池，镁空气电池)，而是采用有机系列电解液，聚合物电解液或全固态电解液。锂空气电池工作原理基于如下两个反应：

2Li⁺+2e^-+O₂→Li₂O₂        E_rev＝2.96V_Li

4Li⁺+4e^-+O2→2Li₂O₂       E_rev＝2.91V_Li

空气电极中的催化剂对电池的充放电循环性能起到决定性作用。虽然在充放电过程中，催化剂本身并不参加反应，但决定整个电池充放电电压与充放电效率，还会影响电池的可逆性。一般可以采用对氧还原和析出反应都具有催化活性的材料作为催化剂。目前报道较多的是采用过渡金属氧化物(如氧化锰、氧化钴等)和贵金属(如铂、金、钯)作为催化剂。目前只有Yi-Chun Lu(美国化学期刊“Journal of American Chemical Society”132(2010)，12170-12171)等提出的铂和金合金作为催化剂可以明显提高电池的放电电压并同时降低充电电压，其余的报道只是降低了电池的充电电压。但该催化剂采用了价格昂贵的铂和金作为原料，因此研制出成本低廉，并同时改变充电和放电电压，提高电池充放电效率的催化剂对锂空气电池体系的发展具有非常重要的意义。

石墨烯自2004年被Geim教授等发明以来，以其独特的单原子准二维结构及极好的电子学、热力学和力学性能，迅速引起了大家的兴趣。它是由sp²碳原子紧密排列的蜂窝格子状的单层石墨片，由于其具备极好的导电性，石墨烯及其复合物已经被广泛应用到复合材料的制备中，尤其是锂离子电池电极材料和燃料电池催化剂。但基于石墨烯材料的锂空气电池的报道甚少，目前只有日本课题组(能源与环境科学“Energy and Environmental Science”4(2011)1704；美国化学期刊纳米“ACS NANO”5(2011)3020-3026)和澳洲课题组(碳材料“carbon”50(2011)727-733)报道采用纯石墨烯为正极催化剂的锂空气电池。本专利基于以上报道，推出采用石墨烯及其复合物作为锂空气电极正极催化剂。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种可以使锂空气电池性能大幅度提高的催化剂。

本发明的第二目的在于获得一种性能大幅度提高的锂空气电池空气电极。

本发明的第三目的在于获得一种性能大幅度提高的锂空气电池。

本发明的第一方面，提供了一种锂空气电池氧电极催化剂的制备方法，以氧化石墨和氧化物为原料，进一步合成石墨烯/氧化物复合材料。其特征在于具有以下的过程和步骤：