[发明专利]Fe纳米颗粒与碳复合材料为正极催化剂的锂氮气氧气电池

说明书

本发明涉及一种Fe纳米颗粒与科琴黑复合材料为正极催化剂的锂氮气氧气电池，催化剂为金属铁纳米颗粒高分散在纳米碳上的复合材料。本发明采用环保无毒的试剂，合成的该复合材料可作为催化剂用于制备锂氮气氧气电池正极，方法是：该催化剂、粘结剂与溶剂混合均匀，将混合物均匀涂在导电碳纸上，干燥后得到电池的正极。本发明的优点是：该催化剂可提高电池的电催化性能，同时使电池具有很好的循环稳定性，并且由此材料组装电池在空气中也有较高的比能量；而且制备该催化剂工艺简单，来源廉价易得，对环境友好，对锂氮气氧气电池性能的提高有很大辅助作用，具有被广泛应用的潜力。

技术领域

本发明涉及一种Fe纳米颗粒与碳复合材料为正极催化剂的锂氮气氧气电池。

背景技术

锂空气电池因为具有较高的比能量，无污染，放电平台平稳等优点，因而有很高的潜力被运用到实际生活中。随着现代社会的飞速发展，人们对于储能高的电池体系需求也越来越高。而锂空气电池具有最高的比能量，如果应用到电子设备、通讯装置等领域，将发挥巨大的作用。然而现阶段的锂空气电池仍然存在许多技术难题亟待决，例如充放电效率低，充电过电压过高，以纯氧气为工作氛围等缺点，但就以纯氧为工作气氛来说，这不仅极大提高了锂空气电池的成本，而且也使锂空气电池的应用范围受到极大的限制。众所周知，空气中含有78%的氮气，而氧气只占其中的五分之一左右，因此在此气氛中的空气电池所发生的电化学反应肯定与在纯氧气中的不同。常温下，金属锂会与空气中的氮气反应生成氮化锂。在上世纪90年代初，含有高氯酸锂的电解液曾被运用到氮气电催化还原为氨的反应中（Chemistry Letters 1993, 22, 851-854.），在此反应中，在电极表面的锂离子被还原为金属锂并沉积在电极上，后与氮气反应形成氮化锂，最后氮化锂水解生成氨。纯氮气应用在锂空气电池体系也成功地得到了验证（Chem 2017, 2, 525-532）。这些研究均表明了氮气也能在电池体系中参与反应，并且由氮气带来的能量是不可忽视的。因此我们将氮气氧气混合气体系引入到锂气体电池体系，目的在于研究此混合体系中电化学反应，优化各种反应条件，提高电化学性能和放电比能量，最终真正实现在空气运行的锂空气电池。同现在的锂氧气电池类似，锂氮气氧气势必也存在充放电效率低，充电过电压过高的问题，因而需要使用高效的正极催化剂去加速放电产物的分解，提高充电效率，降低充电电压。使用过渡金属与碳基底复合的材料不仅催化性能高，而且简单易得，价格低廉，对环境友好。而且过渡金属与碳基复合材料也广泛应用到锂氧气电池及锂二氧化碳电池（Chem. Commun 2014,50, 776和Advanced Science 2017, 1700567）。这些材料能够明显降低充电电压，提高电池的循环稳定性。然而在锂氮气氧气电池体系中，并没有关于正极催化剂的研究。

中国专利CN103560256A公开了一种含新型催化剂的锂空气电池正极及其制备方法，其中，将金属的纳米颗粒高分散在碳纳米片上形成金属／碳复合材料，将金属／碳复合材料作为锂空气电池正极的催化剂，提高正极的催化活性，改善锂空气电池的循环稳定性。所述金属纳米颗粒为钴、镍、铜、锌、锰、铬、钼、钒或钇。Fe/Kb为催化剂的锂氮气氧气电池正极未有提及，本发明的特点在于提供一种能使电池在氮气氧气混合中运行并具有高效催化作用的正极催化剂Fe/Kb（科琴黑），提高电池的循环稳定性，继而实现真正在空气中运行的锂空气电池体系。

发明内容

本发明的目的是提供一种Fe纳米颗粒与碳复合材料为正极催化剂的锂氮气氧气电池。该Fe纳米颗粒与碳复合材料是具有高效的催化作用的正极材料，通过水热反应将铁金属的纳米颗粒高分散在科琴黑或碳纳米管上形成，作为电池正极的催化剂，提高正极了的催化活性，实现在氮气氧气混合体系中运行的电池，同时兼具高的放电比能量和循环稳定性。

本发明提供的Fe纳米颗粒与碳复合材料为正极催化剂的锂氮气氧气电池包括正极、锂负极、隔膜、电解液、集流体以及电池壳；所述的正极材料由催化剂、碳材料、粘结剂和分散溶液制备而成，催化剂所占电极的质量比为70-90%，粘结剂为所占电极的质量比为10-30%。