[发明专利]一种锂空气电池空气电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类可用于锂空气电池的空气电极的设计及其制备技术，属于化学电源领域。

背景技术

无论便携式电子产品还是电动汽车的发展，都迫切需要一种比现存的几种电池体系更轻薄，能量密度更高的储能电池来支持。目前用的锂离子电池，由于其结构的限制，比容量较低，进一步研究的空间有限。因此，必须寻找新的电池体系作为代替品。其中锂空气电池就是一种强有力的候选者，其正极活性物质氧气，无需贮存在电池中，而由环境中的空气提供，理论能量密度可达到13200Wh/kg，是迄今为止电池中最高的，逐渐成为国内外研究的热点。

但是，锂空气电池的实际容量受空气电极的微结构所制约，一般空气电极主要由催化剂、催化剂载体与粘结剂三部分组成。不溶的放电产物(氧化锂或过氧化锂)会沉积在空气电极微结构的孔隙中(主要是载体材料)，阻塞空气电极，隔离了电解质与氧气的接触，导致放电终止，影响其实际容量。另外催化剂的催化活性会决定电池的充放电循环性能。研究空气电极微结构对锂空气电池的应用推广非常有意义。

目前，针对以上两点，对锂空气电池空气电极的研究也主要分为两个大方向：设计具有新型结构空气电极与制备高活性催化剂。设计新型的结构使电池在放电时可容纳的不溶放电产物量达到极大，或减少空气电池中非活性物质的含量，从而使单位质量空气电极获得最大的容量，即最大的比容量。一般可以通过制备高孔隙率的碳材料作为载体来提高电池的比容量，例如夏永姚等(材料化学“Chemistry of Materials”19(2007)2095-2101)提出以有序介孔碳CMK-3作为催化剂载体，但获得的比容量值有限。空气电极中的催化剂，虽然在充放电过程中并不参与电池反应，但是在电池中起着举足轻重的作用，不仅决定锂空气电池充放电电压与充放电效率，还会影响电池的可逆性。一般可以通过制备对析氧反应和氧还原反应都具有较高催化活性的催化剂，或者设计可使催化剂高度分散的技术来提高锂空气电池的循环性能。Yi-Chun Lu(美国化学会期刊“Journal of American Chemical Society”2010，ARTICLE IN PRESS)等提出以Pt或者Au以及两者的合金作为催化剂，虽然一定程度上降低了锂空气电池的充电电压，但是由于催化剂的成本较高，难以应用于实用化的锂空气电池生产中。因此设计一种合适的空气电极成为开发高性能锂空气电池的关键和热点。

综上所述，本领域缺乏一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极，本领域迫切需要开发这种可使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极。

本发明的第二目的在于获得一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极的制备方法。

本发明的第三目的在于获得一种性能大幅度提高的锂空气电池。

在本发明的第一方面，提供了一种锂空气电池空气电极，所述空气电极包括：

-集流体，

-原位复合负载于所述集流体上的催化剂。

在一优选例中，催化剂均匀分布于载体的表面，催化剂为纤维状、管状、棒状或针状，优选为纤维状。催化剂与集流体两者共同形成多孔结构。

在本发明的一个具体实施方式中，所述锂空气电池空气电极，包括集流体和原位复合负载于所述集流体上的催化剂，不包括粘结剂。

更优选地，所述锂空气电池空气电极由集流体和原位复合负载于所述集流体上的催化剂组成。

在本发明的一个具体实施方式中，所述集流体的孔隙率≥90％，ppi(pore/inch孔数/英时)＝100～300，孔径10～500μm。

优选地，所述ppi值为100-140。

优选地，所述集流体具有三维网状结构。

在本发明的一个具体实施方式中，所述集流体选自电子导电性5～64(MS/m)、氧化性化还原电位-0.250～-1(V)的多孔集流体，以金属材料导电率测试仪与标准电极电势方法测定；

更优选地，选自以下集流体：

(I)多孔金属集流体，优选泡沫金属Ni集流体、泡沫Ti集流体、泡沫Au集流体或泡沫Pt集流体；或是

(II)多孔非金属集流体，优选泡沫C集流体或多孔Si集流体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述催化剂选自析氧电位范围3.1V-4.5V与氧还原反应电位范围2.5V-3.1V的催化剂，以循环伏安法测定。

所述催化剂选自以下一组或多组电化学催化活性的物质：