[发明专利]一种锂空气电池空气电极、制备方法及其锂空气电池

说明书

技术领域

本发明涉及一类可用于锂空气电池的空气电极的设计及其制备技术，属于化学电源领域。

背景技术

发展大容量、高功率储能器件是解决能源危机、能源安全及环境问题的重要举措之一。无论是铅酸电池、镍氢(镉)电池还是锂离子电池，其发展的瓶颈都是电池能量密度的不足。金属-空气电池的正极活性物质(氧气)可以从外界空气中获得，而不是存储于电池体系之中，因此金属-空气电池具有很高的比能量。然而由于最初的金属-空气电池使用水性电解液，理论和实际电池电压较低而且负极反应物的摩尔质量较大，限制了电池整体的能量密度。为了获得更高能量密度的电池体系，使用具有更低摩尔质量和较负电位的金属锂代替铝、锌等金属-空气电池负极反应物无疑受到人们的关注。

1996年，Abraham等采用非水性聚合物电解液，克服了水性电解液的致命缺点，才真正开创了锂空气电池的研究。目前，锂空气电池的理论能量密度达到11140Wh/Kg(不包括氧气)或5200Wh/Kg(包括氧气)，其实际的能量密度与汽油相当。非水性锂空气电池也因此被认为是电动汽车未来发展技术之一。

目前，锂空气电池空气电极基本为碳材料：例如夏永姚(材料化学“Chemistry of Materials”19(2007)2095-2101)等提出以介孔碳CMK-3作为催化剂载体，并认为在CMK-3中获得较大气固液三相反应界面；Yong-gang Wang等(电化学通讯“Electrochemistry Communications”11(2009)127-130)比较了Super P，XC-72、AC以及石墨等几种碳材料分别作为锂空气电池催化剂载体时的性能，其中比表面为824m²/g的蜂窝状泡沫碳为载体时具有最高的放电比容量2500mAh/g。由此可见，锂空气电池的实际容量受空气电极的微结构所制约。与多孔材料相比，碳纳米管不仅同样具有表面积大的优点，而且不像多孔碳材料那样，很多表面无法参加反应，因此，碳纳米管在锂空气电池中有着广泛的应用空间。碳纳米管无论作为正极还是催化剂载体，都获得了较好的性能：例如A.G.林兹勒等(专利CN102439783A)将单壁碳纳米管应用于锂空气电池正极，获得良好的电池性能，碳纳米管作为空气电池正极的优势得到了证明。氮掺杂作为一种调节碳材料结构及性能的有效手段，可以提高碳材料的氧还原反应(ORR)催化活性，已经有了较为广泛的研究。Yong-liang Li等(电化学通讯“Electrochemistry Communications”13(2001)668-672)发现，在碳基电解质中，碳材料的氮掺杂可以将锂空气电池的放电容量提高50％。四氧化三钴作为一种优良的氧析出反应(OER)催化剂，也得到许多关注，如温兆银等(专利CN102208652A)证明了四氧化三钴与泡沫镍复合的正极材料提升了锂空气电池的性能。然而，将氮掺杂碳纳米管与四氧化三钴共同原位复合在正极集流体上应用于锂空气电池中的研究尚未见报道。

综上所述，本领域缺乏一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极，本领域迫切需要开发这种可使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于采用化学气相沉积法，将氮掺杂碳纳米材料直接生长在泡沫镍的集流体上，再用电化学沉积将四氧化三钴原位复合在氮掺杂碳纳米管表面来获得一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极，不需要使用任何载体与粘结剂，在保证催化剂含量的前提下，将空气电极中非活性物质含量降到最低。

本发明的锂空气电池空气电极，于集流体上原位复合负载有空气电极的催化剂，所述催化剂为氮掺杂碳纳米材料与四氧化三钴的复合物；优选地，所述的催化剂不含有任何载体和/或粘结剂。

优选为，碳纳米材料均匀分布于集流体的表面，碳纳米材料为纤维状、管状、棒状或针状，优选为管状。四氧化三钴为絮状，针状或片状。碳纳米材料，四氧化三钴与集流体三者者共同形成多孔结构。所述的“原位复合”是指在集流体表面原位反应生成并同时负载碳纳米材料和四氧化三钴，对于本领域技术人员是已知的，采用原位复合的结构使得集流体与碳纳米材料和四氧化三钴共同形成一体化设计的电极。

进一步，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米线、石墨烯、碳气凝胶、乙炔黑、活性炭、泡沫碳、有序介孔碳中的一种或几种；

进一步，所述催化剂为氮掺杂碳纳米管与絮状四氧化三钴；

进一步，催化剂负载量为1-10mg(催化剂)/1cm²(集流体)；