[发明专利]一种Co@N-C复合正极材料、制备方法及在锂空气电池中的应用

说明书

本发明公开了一种Co@N‑C复合材料，其特征在于：纳米钴颗粒原位分布在掺氮碳球中。本发明还提供了一种所述复合材料的制备方法，将包含锌盐、聚乙烯吡咯烷酮、六氰钴酸盐混合溶液在低于10℃下反应，随后经静置纯化、固液分离；将固液分离的固体冷冻干燥，得前驱体；前驱体在800℃以上的温度下碳化，即得。本发明还包括将所述的复合材料在锂空电池中的应用。该方法制得的Co@N‑C复合材料为球形，用作锂空气电池催化剂材料具有较低的过电位，高比容量以及优异的循环性能，且其制备方法简单，成本低廉，具有较好的研究前景。

技术领域

本发明涉及电池材料的制备领域，具体涉及一种锂空气电池催化剂材料。

背景技术

人们开发并在锂空气电池正极材料中添加电催化剂，是为了利用其电催化能力，以加快锂空气电池缓慢的电极反应动力学，从而减轻锂空气电池在充放电过程中严重的极化现象。锂空气电池的充放电过程，涉及到氧气的电化学反应，这一反应可以抽象成氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)两个过程，因此对锂空气电池用电催化剂的研究实际上是围绕氧气的电催化反应进行的。目前，人们已经开发了多种多样的锂空气电池正极用电催化剂材料，有贵金属催化剂、非贵金属氧化物催化剂、非氧化物催化剂和碳材料催化剂以及多种新型催化剂等。

过渡金属因其资源相对较为丰富而在近些年得到了不少的关注，Fe、Co、Ni、Mn在催化领域研究非常多，包括其氧化物、硫化物等，并且其表现出了较为优异的催化性能。由过渡金属与碳和氮形成的金属/N/C和金属@N-C作为一种新型催化剂在HER和ORR等催化领域成为一个热点，其中尤其以过渡金属Fe、Co、Ni形成的Fe@N-C、Co@N-C、Ni@N-C为典型代表，其中Co@N-C复合材料的表现较为优异。然而这种复合材料在锂空气电池上的应用报道较少。

例如，公开号为CN106920964A的中国专利文献公开了一种普鲁士蓝类钠离子电池正极材料，所述普鲁士蓝类钠离子电池正极材料由过渡金属元素梯度取代普鲁士蓝晶格中铁氮八面体内的铁离子，其中所述过渡金属元素为锰、钴、镍、铜、锌中任一种，且过渡金属元素从普鲁士蓝晶粒内部向表面呈由低到高的浓度梯度取代普鲁士蓝晶格中铁氮八面体内的铁离子。公开号为CN106898743A的中国专利文献公开了相类似的方法。现有方法的材料均难于在锂空电池领域获得良好的电学性能。

发明内容

针对现有锂空气电池催化剂材料存在的缺陷，本发明提供了一种Co@N-C复合材料，旨在提供一种具有优异电学性能的材料。

本发明的另一目的在于，提供了一种Co@N-C复合材料的制备方法。

本发明的第三目的在于，提供了一种Co@N-C复合材料在锂空电池中的应用。

一种Co@N-C复合材料，纳米钴颗粒原位分布在掺氮碳球中。

本发明提供的Co@N-C复合材料，所述的Co@N-C复合材料整体呈球体；纳米颗粒Co均匀地分布在多孔掺氮碳球的内部。

作为优选，所述的Co@N-C复合正极材料的粒径为0.5～2μm。

作为优选，所述的Co@N-C复合正极材料的比表面积为200～600m²/g。

作为优选，纳米Co颗粒的粒径为50～100nm。

本发明所述的复合材料，为多孔的球状复合材料，表面粗糙，具有较大的比表面积，为催化反应提供了更多的活性位点，增强了材料导电性，更好地发挥了Co@N-C复合材料的催化作用，使电池具有较高的充放电比容量和优异的循环稳定性能。

本发明还提供了一种所述的Co@N-C复合材料的制备方法，将包含锌盐、聚乙烯吡咯烷酮、六氰钴酸盐的混合溶液在低于10℃下反应，随后经静置纯化、固液分离；将固液分离的固体冷冻干燥，得前驱体；前驱体在800℃以上的温度下碳化，即得。