[发明专利]锂氧电池的正极材料

说明书

本文的实施方案提供了一种氧气/空气正极，其包括金属‑有机框架和/或金属‑有机框架和碳网络的复合体。基于金属‑有机框架的Li‑O₂电池在潮湿的O₂中运行，其中水在改善电池性能中具有至关重要的作用。通过用MOF@CNT复合体催化剂在潮湿氧气中循环Li‑O₂电池，这种实施方案不但改善了电池性能，还降低了成本。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C第119条要求于2018年5月17日提交的标题为：“锂氧电池的正极材料”的美国临时申请第62/672826号的优先权。先前申请中公开的内容以引用的方式全部并入本文中。

技术领域

本发明涉及提供高放电容量和长循环寿命的锂二次电池。具体地，本文中的实施方案涉及复合体催化剂，其被配置为用于在潮湿的氧气环境中运行的Li-O₂电池的催化正极材料。

背景技术

相关技术的讨论

锂-氧(Li-O₂)电池因其高比能而备受下一代能量存储设备的关注。然而，Li-O₂电池仍然面临着几项挑战，包括低能效和循环寿命差，这主要是由于电解液和正极面对类氧物质(Oxygen species)的大幅还原时的低稳定性所引起，例如O₂-中间体和Li₂O₂。Li₂O₂电池基于氧气还原/析出反应(ORR/OER)：在放电时，空气中的氧气与锂离子反应形成氧化锂，称为“ORR”。再充电时，氧气析出回环境，称为“OER”，并且锂回到负极上。

然而，Li-O₂电池在实际应用中仍然面临若干挑战，例如低能效比和循环寿命差。这些问题主要由电解液和正极面对强还原性类氧物质(O₂中间体和Li₂O₂)时的稳定性相对较低以及放电产物的绝缘性所引起。为了改善Li-O₂电池的性能，已进行了大量的研究以寻找高效的催化正极材料以促进ORR/OER，其对降低过电势和改善循环寿命是非常重要的。

金属-有机框架(MOF)是一种新型的高度多孔材料，其由金属节点或簇(二级结构单元)和有机连接体(linker)构成。由于MOF卓越的性能，包括超大的表面积(1000-10000m²g^-1)、使客分子快速扩散的清晰的通道、适合与进入的客分子互相作用的配位不饱和的开放金属位点，以及易于针对给定应用定制性能和放大规模，MOF在气体存储、催化和能量存储中被广泛研究。

与只有表面原子参与催化反应的传统无机催化剂不同，MOF是单位点催化剂，其所有金属中心均可用于催化，从而具有高的原子利用率和大幅增强的活性。不幸的是，大多数MOF具有固有的低电导率(例如，Mn-MOF-74，3×10^-13S cm^-1)，这阻碍了它们作为电极材料在电化学传感器、电催化、电池、超级电容和其他需要有效传导电子的应用中的使用。

因此，需要一种专门针对Li-O₂电池定制的MOF的方法和设计，以增强MOF的电导率，例如，通过与导电基质的复合以及用客分子的合成后修饰。具体地，MOF的(合成)设计和方法，例如但不限于，MOF-74直接在碳纳米管上生长(MOF-74@CNTs)，如本文所公开的，通过在室温下添加剂介导合成。这种新型复合体催化剂是在潮湿氧气环境中运行的Li-O₂电池有效的催化正极材料。在这些复合体催化剂中，一维CNT被用作生长MOF-74纳米颗粒(NP)的基底，其不但可以提供导电网络，还可以减轻MOF-74纳米颗粒的集聚，从而成功将MOF应用为Li-O₂电池的有效正极材料。本文中的实施方案因此解决了工业中期望的需求。

发明内容