[发明专利]过渡金属氧化物纳米材料覆盖的机能性纤维毡及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米催化剂技术领域，具体涉及一种过渡金属氧化物纳米材料覆盖的机能性纤维毡及其制备方法。

背景技术

研发容量更高的、环保友好的、可持续的新一代电池体系，对于移动电子产品、电动汽车、风力发电等产业的发展有重大意义。锂空气电池是利用锂金属或锂化合物作为负极活性物质、利用氧气作为正极活性物质的、可以进行充放电的电池。作为正极活性物质的氧气可以从空气中得到，因而无需将正极活性物质封入到电池内。与目前的锂离子电池相比，可将能量密度在理论值上提高到以前的15 倍以上，堪与汽油媲美。理论上，由于氧气作为正极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能量为5.21 kWh/kg（包括氧气质量），或11.14 kWh/kg（不包括氧气质量）。此外，锂空气电池是无污染的。因而近年来，锂空气电池以其极高的比能量和环境友好的优点引起越来越多研究者的关注。

然而，在室温下，氧气的还原反应（O₂+4 e ->2 O^2-），即oxygen reduction reaction（ORR），进行非常缓慢；由此氧离子与锂金属原子的电化学反应很弱，放电电流密度不大。为了解决此问题，麻省理工的Yang Shao-Horn等研究了铂（Pt）、金（Au）等作为催化剂，取得高达1000 mA/g的放电电流。具体参见非专利文献1。但是考虑到上述催化剂属于贵金属范畴，价格极其昂贵。圣安德鲁斯大学的Bruce等用过渡金属二氧化锰及四氧化三钴替代贵金属做催化剂，取得了很好效果。添加催化剂α-MnO₂，经过50 次充放电后，电池的比容量仍然达到600 mAh/g。具体参加非专利参考文献2、3。余爱水等人使用憎水的离子液体和硅土、PVDF-HFP 的复合电解质，用α-MnO₂ 作为催化剂，获得了比容量高达2040 mAh/g 的锂空气电池。

在传统的过渡金属催化剂的制备一般如美国公开专利2013/0029233 A1所示。采用过渡金属纳米颗粒和碳黑（Super P、Ketjen black）混合， 以N-甲基吡咯烷酮（NMP）为母液，以聚偏氟乙烯（PVDF）为粘合剂，制成粘稠状的泥浆，涂覆于空气电极表面，然后真空干燥即可。这样的方法简单易行，表现优异。如， Bruno Scrosati和Yank-Kook Sun等，利用类似的方法，实现了可观的电容量（3000 mAh /g _carbon）。具体实验实施可以参见非专利参考文献4。

然而，在上述的制备过程中，在过渡金属纳米催化剂和碳黑的混合泥浆中，都使用了粘合剂，这样既增加电极重量，又降低了电极材料的导电性。如果不使用粘合剂的话，催化剂和电极材料有无法固定在一起，而长时间工作。其次，催化剂纳米颗粒未能深度嵌入碳黑电极材料中。大多数催化剂粒子不能与氧离子和锂离子接触而促使其电化学反应加快进行。只有在与空气电极接触的表面，有很肤浅的一层催化剂在起作用，造成催化效率降低。

现有技术文献

专利文献1：美国审查专利申请公开号2013/0029233 A1

非专利文献1：Yi-Chun Lu, Hubert A. Gasteiger, Michanel C. Parent, Vazrik Chiloyan and Yang Shao-Horn, Electrochem. Solid-State Lett., 2010 (13)： A69-A72

非专利文献2：A. Debart, A. J. Paterson, J. Bao, P. G. Brruce, Angew. Chem. Int. Ed., 2008 (47)：4521-4524

非专利文献3：A. Debart, J. Bao, G。 Armstrong, P. G. Brruce, J. Power Sources, 2007 (174)：1177-1182

非专利文献4：Hun-G. Jung, J. Hassoun, Jin-B. Park, Yang-K. Sun, and B. Scrosati, Nature Chemistry, 2012 (4)：579-585

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术难题，提供一种没有粘合剂（binder）的，过渡金属氧化物纳米材料覆盖的机能性纳米纤维毡及其制备方法。