[发明专利]一种基于碳纤维膜集流体的锂空气电池的制备方法

说明书

    一、技术领域

本发明涉及一种锂空气电池的制备方法，具体地说是涉及一种沉积有纳米粒子阵列的碳纤维膜集流体作锂空气电池催化层的制备方法。

二、背景技术

随着化石燃料的逐渐消耗和内燃机汽车污染的日益严重，电动汽车、混合动力汽车越来越受到人们的亲睐。然而，就动力用供能系统来说，目前最新的电动汽车用锂离子电池系统能量密度仍远低于汽油在内燃机中燃烧的平均值，每充一次电所行使的距离最多仅有160km。而锂空气电池由于负极的金属锂具有最高的比容量（3862mAh/g）和最低的电化学电位（－3.04V vs. SHE），因而具有极高的能量密度（11680Wh/kg），理论上完全有可能成为未来电动汽车的主要能源供给装置。

锂空气电池是由K.M.Abraham和Z.Jiang在《电化学会会志》上首次提出，其能量密度可达250～350Wh/kg。但由于其电化学性能不甚理想，仅能在初始阶段保持较好的充放电效率和容量，在当时并没有引起足够的重视。2006年，P.G.Bruce研究小组用LiPF₆-PC为电解液，以MnO₂为催化剂，得到了循环性能良好的锂空气电池。自此，锂空气电池开始成为全世界研究的热点。目前来说，锂空气电池放电时电压约为2.7V，低于其标准电压（2.96V），而充电时，电压可快速升至4.0V，明显高于放电电压，其能量效率低于70%。同时，较高的电压也容易引起电解液的分解，发生不可逆的电化学反应。另外，锂空气电池的主要放电产物Li₂O₂不溶于电解液，随着放电的进行，越来越多的Li₂O₂将沉积在正极碳的孔道内，一方面会导致孔道的堵塞，正极活性物质O₂无法进入，从而使电压下降；另一方面，放电过程不断沉积的Li₂O₂会破坏碳的多孔结构，严重影响了锂空气电池的循环性能和寿命。

通常采用在空气电极中加入催化剂的方法来降低充电电压，提高锂空气电池的能量效率，减少甚至避免电解液发生分解，从而改善锂空气电池的循环性能。多孔碳负载贵金属纳米粒子作为锂空气电池空气电极的研究结果表明[Y. Lu, H. A. Gasteiger, M. C. Parent, V. Chiloyan, S. Yang. The influence of catalysts ondischarge and charge voltages of rechargeable Li-oxygen batteries. Electrochemical and Solid-State Letters, 2010, 13(6): A69-A72.]Au和Pt纳米粒子分别有利于氧气还原过程（ORR）和氧气析出过程(OER)。而多孔碳负载Pt-Au合金纳米粒子作空气电极的锂空气电池的充电电压只有3.4~3.8V，大大降低了充放电的过电压[Y. Lu, Z. Xu, H. A. Gasteiger, S. Chen, K. H. Schifferli, S. Yang. Platinum-gold nanoparticles: A highly active bifunctional electrocatalyst for rechargeable lithium-air batteries. Journal of American Chemical Society, 2010, 132(35): 12170-12171.]。另外，当用纳米孔的金电极作为空气电极，LiClO₄/DMSO作为电解液时，可以得到充电电压在3.3~4V，100圈后容量保持率在95%的锂空气电池[Z. Peng, S. A. Freunberger, Y. Chen, P. G. Bruce. A reversible and higher-rate Li-O₂ battery. Science, 2012, 337(6102): 563-566]。由上述研究可知，纳米尺寸的贵金属对降低锂空气电池的过电压，提高能量效率，改善循环性能起着重要的作用。但是，上述多孔碳负载纳米颗粒贵金属的方法工艺复杂，纳米颗粒的粒径不好控制，而纳米孔金电极的成本较高，同时大大增加了电池的质量，降低了能量密度，都无法实现工业化应用。而利用物理气相合成的方法，在碳纤维膜集流体上沉积纳米颗粒，具有效率高，成本低，工艺简单，粒径可控等优点。

三、发明内容

1.发明目的