[发明专利]一种基于金属有机骨架材料的锂-氧电池电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂-氧电池技术领域，具体涉及一种基于金属有机骨架材料的锂-氧电池电极材料以及制备方法。

背景技术

环境的改变、恶化以及化石能源如煤、石油等不可再生资源的不断消耗，让我们不得不寻求可持续的、可再生的新能源。目前，太阳能、风能等可再生能源的利用受到地域和时间的限制，客观上需要高容量的能量存储设备来实现能源的高效利用。同时，随着社会的发展，一些新型的便携式电子设备相继出现，电能驱动汽车或者混合动力汽车因其具有更低的二氧化碳排放而引起人们的极大兴趣。上述设备的应用迫切需要我们改善能量存储体系的便携性、以及容量。目前，在消费市场中，普通的锂离子电池虽然能为大多数的便携式电子产品提供其所需的能源，但这远远无法满足社会进一步发展的需要。

近年来，作为一种新型的化学电池，锂-氧电池受到了科研工作者越来越多的关注。由于其具有远比传统锂离子电池高的理论电容量，甚至与汽油的能量值相近，逐渐成为一个研究热点。在锂-氧电池中，参与反应的原料之一为氧气，可以方便地从空气中获得。在锂-氧电池的构造中，通常以金属锂作为电池的负极，多孔的材料作为正极材料。迄今作为正极的材料多数为具有一定导电性的碳材料，如介孔碳、碳纳米管、石墨烯等，或者是几种碳材料的混合物。这些材料在电池中起到了传输氧气的作用，同时材料的孔道还可以容纳放电反应生成的产物。通过对正极材料的进一步设计，还可以引入提高电池反应效率的催化剂。在目前对正极材料的研究方面，还存在以下问题：

1. 所使用电极材料与参与反应的氧气相互作用力较弱，无法在孔道内富集氧气，导致参与反应的氧气供给不足；

2. 电解质以及反应生成的产物会堵塞电极材料的孔道，影响氧气分子在材料内的扩散，导致化学反应终止；

3. 在多孔电极材料内，孔道无序并且孔径分布不均，导致电池性能重现性较差。

发明内容

针对上述问题，我们利用金属有机骨架材料的多孔性，同时与碳材料复合制备了一种基于金属有机骨架材料的锂-氧电池电极，其电极的制备方法简单，同时该电极可以用于获得具有较高比电容的锂-氧电池。

本发明中，金有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）是一种由金属离子与有机配体通过自组装得到的具有有序微孔道结构的晶体材料，材料具有较大的比表面积和较高的稳定性。将金属有机骨架材料作为锂-氧电池的正极材料，分子体积较小的氧气可以自由地进出孔道，而反应生成的产物以及电解质由于分子尺寸较大，无法进入微孔道，不影响氧气分子的传输。在某些金属有机骨架材料中，金属离子由于具有不饱和的配位点，可以与氧气分子发生较强的相互作用，进一步在孔道内对氧气进行富集，促进电化学反应的进行。同时，这些暴露于材料孔道内壁中的金属离子还可以作为催化反应的活性中心，促进电化学反应的进行，从而最终起到提升锂-氧电池的电容量的作用。金属有机骨架材料中，金属离子和有机物配体有序排列，使得孔道内壁具有均一的化学环境。因此，我们通过对金属离子或有机的配体进行修饰改性，能进一步提升锂-氧电池的性能。

本发明中，在制作电极材料的过程中，我们同时加入一定比例的多孔碳材料。这些碳材料中的不规则孔道为反应生成的过氧化锂等产物提供了存储空间，同时碳材料也提高了电极的导电性。

本发明的技术方案具体描述如下。

本发明提供一种基于金属有机骨架材料的锂-氧气电池电极的制备方法，其通过将金属有机骨架材料与多孔碳材料以及粘结剂在溶剂中混合，而后涂片、干燥得到锂-氧气电池电极；具体步骤如下：

（1）采用水热法或者溶剂热法制备出金属有机骨架材料，再依次通过溶剂置换、加热抽真空法进行材料的活化处理；活化好的金属有机骨架材料保存于氮气气氛中；

（2）将上述活化好的金属有机骨架材料与多孔碳材料按照质量比为1:（0.02～50）进行混合，然后在研钵中研磨至均匀；

（3）将混合好的金属有机骨架材料与多孔碳材料加入到粘结剂溶液里，不断搅拌的同时，滴加溶剂，直至形成均匀的悬浊液；其中：所述粘结剂与金属有机骨架材料以及碳材料总质量的比值为1：（0.5～50 ）；

（4）将制备好的上述悬浊液均匀地涂抹在碳纸集流体表面，在真空烘箱中于30-120℃温度下将材料中的溶剂去除。