[发明专利]一种锌空气电池的电催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，具体是指一种用作锌空气电池的具有尖晶石型晶态结构的电催化剂及其制备方法。

背景技术

锌空气电池从问世至今已经有一百多年的历史。它是以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质，在催化剂的催化作用下发生化学反应而产生电流的一种化学电源。只要锌电极没有被消耗完，氧气就可以通过空气扩散电极源源不断地到达电化学反应界面与锌发生反应而不断地产生电能。这种电池具有比能量高、放电电压平稳、原材料便宜易得、无环境污染等优点，有着广阔的应用前景。然而，锌空气电池的放电电流密度偏低，不能满足较大功率放电的家用电子电器的使用需要，从而限制了它的市场和应用范围。采取提高空气电极空气扩散总面积的方法可以在一定程度上增大电池的放电电流，但是同时却会加剧锌空气电池的漏液爬碱难题。如果提高反应过程中催化剂的催化活性，就可以加速空气中的氧气被吸附进入电池的内部，提高氧气在反应界面处的反应速率，从而增大电池的放电电流，即提高电池的输出功率。可见，锌空气电池放电电流密度的大小与其空气扩散电极所用的电催化剂密切相关。

传统采用的活性碳、电解MnO₂等催化剂的催化活性较低，使氧气在电化学界面上的反应速度较慢，从而限制了锌空气电池的放电电流密度。这种电池只能应用于扣式电池等小功率的电子电器设备。后来，有人采用贵金属代替活性炭或MnO₂作催化剂来提高锌空气电池空气扩散电极的催化活性，但是贵金属的价格昂贵，而且以其作为催化剂电池的电流密度仍满足不了家用电子电器的使用要求，因而也不能使其大规模地被应用。尖晶石型晶态结构金属氧化物由于其电催化活性高、导电性好、原材料价廉易得等优点，是非常有发展前景的新型电催化剂体系。N.LI等采用溶胶凝胶法(ACP)制备出了尖晶石型LiCo_xM_2-xO₄[M＝Co，Fe，(Co、Fe)]金属氧化物，其中以LiCo_0.6Mn_1.4O₄金属氧化物为催化剂制备的空气扩散电极在氧气流条件下对氧还原和氧析出均表现出较高的电催化活性。周震涛等采用Co元素掺杂的方法制备了尖晶石型LiCo_xMn_2-xO₄金属氧化物(详见中国专利01107488.4)，用该材料作催化剂的锌空气电池的最佳放电电流密度可达150mA/cm²以上，比以电解MnO₂为催化剂的锌空气电池的放电电流密度(约为30～50mA/cm²)有了大幅度的提高；周震涛、李海彪等公开了一种溶液法，采用这种方法制备了LiCo_xMn_2-xO₄金属氧化物(详见中国专利申请200510032676.X)，以该方法制备的催化剂组装的锌空气电池在-0.6V极化电位下的最佳极化电流密度可高达258mA/cm²。然而，上述背景技术仍存在如下问题：

1、以尖晶石型LiCo_xMn_2-xO₄材料为催化剂制备的锌空气电池的放电电流仍然偏低，不能满足一些大功率电器的使用需要。

2、Co材料的价格高，从而使得其材料商业化的成本也较高。

3、在碱性电解质中，金属Co元素的化学稳定性较差，从而影响了其所成电池的使用寿命。

发明内容

针对上述现有锌空气电池技术所存在的问题，本发明的首要目的在于提供一种原材料价格低廉、催化活性高的锌空气电池的电催化剂。本发明的锌空气电池电催化剂是以Mn、Ni、Fe、Co等过渡金属元素的盐类为基料，是采用溶胶凝胶法制备出具有尖晶石型晶态结构的金属复合氧化物电催化剂LiNi_xCo_yFe_zMn_2-x-y-zO₄的。

本发明的另一目的是在于提供上述锌空气电池电催化剂的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：本发明锌空气电池的电催化剂，通式为LiNi_xCo_yFe_zMn_2-x-y-zO₄，式中，0.10≤x≤0.50，0≤y≤0.50，0≤z≤0.50。该电催化剂的晶态结构为尖晶石型晶态结构。