[发明专利]基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料及其制备方法和应用，所述正极材料包括活性材料和催化剂；其中活性材料为氧化锂、过氧化锂中的至少一种，催化剂为非贵金属/碳复合催化材料。(1)本发明所述正极材料采用非贵金属/碳复合催化材料作为催化剂，取代了传统的贵金属催化剂，在大幅度降低成本的同时，更为重要的是实现并保证了基于较小化学计量的氧元素的氧化还原；(2)所述正极材料用于封闭式锂离子电池中，在固相状态催化氧阴离子的氧化/还原过程，无气态氧的形成，最终保障了锂离子电池的工作寿命；(3)采用所述正极材料制备获得的电池具有正极容量大和高可逆的优势，且电池系统的能量密度达到500Wh/kg。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种新型锂离子电池的正极，具体为基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

基于金属氧化物正极的传统锂离子电池，受限于电极材料结构本身对锂离子嵌入/脱出的限制，其能量密度在近年来的发展中逐渐遇到了瓶颈。最近，氧元素由于具有较小的化学计量数和多个阴离子电子价态，基于氧阴离子氧化还原的一类新型电极材料引起了研究者的关注。其中，锂空气电池利用氧元素在氧气和过氧化锂之间的转化释放/存储能量，得益于其使用了并不存储在电池内部(来自空气中)的氧气作为正极活性物质，基于该原理的电池体系具有极高的理论能量密度。然而在实际过程中，氧元素在充放电过程中不断进行着气相(氧气)和固相(过氧化锂)之间的相互转化，缓慢的动力学和复杂的界面过程带来很多问题，最终使锂空气电池的工作寿命大大降低。同时，在半开放电池体系下如何隔绝空气中的其他物质，如水和二氧化碳对电池的正常工作的影响，对于锂空气电池的实际应用也是一个挑战。最近，本课题组报道了一类基于氧阴离子在氧化锂/过氧化锂之间转化的锂离子电池正极材料[QiaoY.,Jiang K.,Deng H.,Zhou H.,Nature Catalysis 2,1035–1044(2019)]，实现了在封闭状态下利用具有较小化学计量数的氧元素得到高能量密度电池体系的目标。然而，不得不指出的是，该报道需利用贵金属材料(比如铱)作为催化剂，这大大提升了电极制备成本，限制了其实用性。

中国专利申请CN201811148779.6公开了一种基于金属有机框架的非贵金属/碳复合材料的制备方法、非贵金属/碳复合材料及其应用。该现有技术中将非贵金属/碳复合材料作为氧还原催化剂材料，并将所述的氧还原催化剂材料用于制备金属空气电池、燃料电池的阴极。即，在该现有技术中，该催化材料的作用在于催化产生气体氧。

因此，寻找成本低廉，同时兼具高效的催化剂是实现具有高比能的封闭式基于氧阴离子氧化/还原电池的关键。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，采用非贵金属/碳复合催化材料作为锂离子电池的正极材料组分，参与正极氧元素的氧化还原，同时避免气体氧的产生，以较低成本实现高质量比容量，鉴于此，本发明提供了基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料及其制备方法和应用。

技术方案：基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料，所述正极材料包括活性材料和催化剂，催化剂重量百分比为10％-50％；其中活性材料为氧化锂、过氧化锂中的至少一种，催化剂为非贵金属/碳复合催化材料。

优选的，非贵金属/碳复合催化材料中的非贵金属为过渡金属元素，材料中非贵金属的重量百分比为0.01％-45％。

优选的，非贵金属为镍、钴、锰、铁或钛。

以上任一所述基于非贵金属/碳复合催化材料的氧阴离子电池正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

第1步、制备催化剂

将酚醛树脂溶于丙酮中，然后加入金属酞菁化合物超声分散，真空干燥获得前驱物；将前驱物在氩气氛围内烧结获得碳化物，球磨后获得非贵金属/碳复合催化材料；

第2步、制备正极