[发明专利]无粘结剂型锂‑空气电池空气电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂-空气电池空气电极，具体涉及一种无粘结剂型锂-空气电池空气电极及其制备方法与应用，属于高性能化学电源领域。

背景技术

由于空间技术、移动通信、导弹、航空航天等领域的快速发展以及现代人们对能源危机、环境保护的关心，高储能电池的研究、开发已引起了人们的广泛关注。由于锂是所有金属元素中质量最小、电极电位最低,所以由锂组成的电池具有开路电压高、质量比容量大等特点，最近几年迅速替代了镍镉、镍氢电池成为最受欢迎的高能电池。

锂－空气电池是一种以氧气为正极活性材料、以金属锂为负极活性材料的电池，由于氧气不需要储存在电池内部，其理论能量密度高达5.21 kWh/kg(含氧气)或11.14 kWh/kg(不含氧气)，远高于传统锂离子电池的理论能量密度（200-250 Wh/kg），其性能可与汽油(12.22 kWh/kg)相媲美。在空气中的氧能通过催化剂变成氧负离子或过氧负离子，然后再生成锂氧化物或者锂过氧化物，与常规的铝空气电池、锌空气电池有别；因此锂－空气电池作为新一代高能量密度电源在便携式电子产品和通讯设备等领域具有广阔的应用前景，尤其可满足电动汽车电源的高能量密度的要求。

锂-空气电池放电过程中，金属锂阳极的极化通常较低，过氧化物和氧化锂均不溶解在有机电解液中，只在空气电极上沉淀，作为阴极的氧电极对电池的电化学性能(如：充放电性能、库伦效率、循环稳定性等)往往有着决定性影响。

氧电极是锂-空气电池放电时发生氧还原反应和充电时发生氧析出反应的场所，存在典型的气液固三相反应界面区，反应过程中不仅氧的扩散阻抗和活化极化较大，而且金属氧化物会在氧电极表面沉积并富集，阻碍甚至阻止氧离子与金属离子的接触而使电极反应终止。目前，有机电解液体系的锂-空气电池在使用过程中存在的主要问题是：放电过程中生成的Li₂O₂或Li₂O氧化物会沉积附着在催化剂表面而使氧不能再直接与催化剂相接触，导致氧还原反应的减缓甚至终止；Li₂O₂或Li₂O氧化物导电性比较差，电极极化大；放电时氧还原反应和充电时氧析出反应的动力学性能差，电池充放电效率低；循环性能差等。为解决这些实际问题，提高氧的电催化效率和电池的可逆效率，目前的研究工作主要集中在空气电极催化剂的开发以及空气电极制备工艺的优化方面。在高效电催化剂方面，大量的研究已表明铂钌等贵金属及合金(参见：J. AM. Chem. Soc, 2010, 132: 12170)、异原子掺杂碳材料(参见：Nano Letters, 2011, 11:5071; ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4: 49)、尖晶石氧化物(CN103346333A)以及钙钛矿氧化物(CN103268947A;CN103208636A)等均对氧还原/析出反应具有较好的催化活性。

空气电极的制备对其性能的发挥有重要影响，不仅关系到支撑体的孔径分布，更涉及催化剂在支撑体上的担载情况，这些都会关系放电时氧还原反应和充电时发生氧析出反应的效率，从而影响电池的性能。在空气电极制作方面，锂-空气电池现有电极制作技术主要采用喷涂、刮涂等技术，通过使用高分子粘结剂将空气电极催化剂分散粘附在碳纸或碳布等导电碳材料表面。现有空气电极制备方法存在着以下几方面缺陷：1. 作为粘结剂使用的高分子材料在锂-空气电池充放电过程中容易引起其它副反应的发生；2. 空气电极催化剂与导电碳材料之间只是通过粘结剂的作用结合在一起，在电池充电过程中伴随有气体逸出，反复的充放电，很容易造成催化剂的脱落，且催化剂与碳材料之间接触不紧密，接触电阻大，影响电池充放电性能和循环性能；3. 作为电极支撑体骨架和电流收集器使用的碳纸或碳布，在电池较高的充电电压下，碳材料易被氧化腐蚀，并引发有机电解液的分解，造成电池性能衰减；4. 现有涂覆法制备空气电极时，催化剂固体粒子容易集聚，分布不均，并且糊料无法良好浸入支撑体孔隙中，催化剂仅浮在支撑体表面，造成电池充放电不稳定。因此，在现有空气电极催化剂的基础上，优化空气电极制备工艺是提高锂-空气电池性能的重要途径之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种无粘结剂型锂-空气电池空气电极的制备方法，以减少电池充放电过程中副反应的发生，提高电池充放电容量和稳定性。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种无粘结剂型锂-空气电池空气电极的制备方法，包括以下步骤：