[发明专利]一种用于锂空电池的氧化锰-石墨烯纳米复合催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及一类用于锂空电池的氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料及其制备方法。

背景技术

锂空电池由于能量密度非常高，有巨大的潜力成为未来新一代的储能电源。一个典型的非水系锂空电池包括金属锂负极、由锂盐溶解在有机溶剂中形成的电解液以及由具有高比表面积的碳材料、催化剂以及粘结剂所组成的O₂呼吸电极（正极）。然而过电压太大、循环性能差以及大电流充放电性能差成为阻碍锂空电池应用的三大问题。因而正极材料的设计对于锂空电池的发展和应用具有决定性的意义。通过寻找一种合适的催化剂用来有效降低过电压，提高正极材料循环性能，这是目前锂空电池研究的重要方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提出一类重量比容量高、充放电过电压小、循环性能好的锂空电池正极催化剂材料及其制备方法。

本发明提出的锂空电池正极催化剂材料，是一种氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合材料。经研究表明，此类材料可作为高性能锂空电池的正极催化剂材料。目前为止没有关于氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合材料用作锂空电池正极催化剂材料的报道。

本发明提出的作为锂空电池正极催化剂材料的氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料为分散良好的胶体，组分浓度可调节，可制备成薄膜或粉体形式。

本发明提出用于锂空电池正极催化剂材料的氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料的制备方法，采用液相超声混合氧化锰和石墨烯分散液制备，具体步骤为：将石墨烯粉末和纳米氧化锰粉末分别溶于去离子水中，进行超声分散，获得0.1~1mg/mL的稳定石墨烯水相分散液和氧化锰水相分散液；将两种分散液以体积比1:10~10:1混合，置于超声仪中进行超声，即获得氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合的稳定分散液。将清洗过的泡沫镍置于该复合分散液中，取出后置于75--85℃真空干燥箱中干燥20--28小时，即可获得锂空电池正极，其形态为薄膜形式。 

本发明中，氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料结构由X射线衍射（Rigata/max-C diffractometer）确定。X射线衍射（XRD）谱表明纳米复合催化剂中MnO₂晶化程度较低，为γ-MnO₂相。氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂形貌由透射电子显微镜（JEOL 2010）确定。透射电镜图像（TEM）表明有大量氧化锰纳米粒子互相交叠形成100nm左右的团簇，均匀负载在石墨烯片层上。高分辨像（HRTEM）表明氧化锰纳米粒子为准球形，大小为20-50nm，晶化程度低，互相交叠。

本发明中，氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合材料电极的电化学性能测试采用由三电极组成的薄膜电池系统。其中，氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合材料用作工作电极，高纯锂片分别用作为对电极和参比电极。电解液为1M LiTFSI + DME。薄膜电池装配在充氩气的干燥箱内进行。薄膜电池的充放电实验在蓝电（Land）薄膜电池测试系统上进行。

本发明中，由液相超声混合氧化锰和石墨烯分散液制得的氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂电极具有充放电性能，在电流密度75mA/g时，放电反应的平台出现在2.55V（相对于Li/Li⁺），首次放电容量达到11235mAh/g，首次充电平台位于3.93V（相对于Li/Li⁺）。对氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂电极在215mA/g电流密度下循环性能测试表明，当把放电容量限制在1500mAh/g时，电池能够循环30次以上，并且能量循环效率达到73%。

上述性能表明，氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料是一种性能良好的新型的正极催化剂材料，可应用于锂空电池。

附图说明

图1为实施例1 30%氧化锰-石墨烯（MnO₂-GNS）纳米复合催化剂材料的XRD谱图。