[发明专利]一种锂空气电池用核壳结构电催化剂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种锂空气电池用核壳结构电催化剂材料及其制备方法。

背景技术

由于环境问题日益突出，石油危机日益严峻，节能和新能源技术已逐渐成为人类的关注焦点和研究热点。众所周知，锂离子电池是新能源领域里极有代表性及竞争力的电池体系，已广泛用于手机和笔记本电脑等，目前也已经是下一代混合动力车和纯电动车的重要之选。然而常规锂离子电池很大程度上是受制于它的先天限制，低能量密度的锂离子电池很难满足电动汽车等领域对高能量密度的要求，而现有电池体系在能量密度和功率密度等方面的提升空间有限，迫切需要发展基于新构思、新材料和新技术的二次电池新体系。

锂空气电池作为当今电池领域最领先的电池体系之一，引起了广泛的关注。它采用金属锂作为电池的负极，正极一般由电催化剂、碳材料、粘接剂组成，空气中的氧作为活性物质，氧气通过外界扩散进入电池在电催化剂作用下发生反应，理论上正极的容量密度是无限的，远优于常规锂离子电池。另外，在所有的电池负极材料中金属锂具有优良的电子电导，同时其电化学容量3860mAh/g，不考虑氧气做活性物质的量，其理论比容量高达11680Wh/Kg，接近于传统的燃油系统(13000Wh/Kg左右)。因此，锂空气电池以其高的比容量和比能量以及对环境友好等特性而成为目前备受关注的能量转换体系，有望取代现行的锂离子电池而得到广泛应用。

锂空气电池并非新概念，早在二十世纪70年代就已经提出。然而，为什么锂空气电池至今都未普及？原因是它存在致命缺陷，其中，严重的极化现象是影响锂空气电池性能发挥的重要因素。电催化剂作为锂空气电池的关键材料之一，其材料的电催化性能、稳定性、导电性、比表面积、形貌结构等因素对降低锂空气电池的极化、高的比容量及循环性能有很大的影响。一种高效的电催化剂能够极大地提高锂空气电池的效率，抑制电解液的分解，从而提高循环寿命。因此，为了降低锂空气电池的极化，提高电池性能，电催化剂的研究与开发必不可少。

目前的研究者一般采用单一的过渡金属氧化物、金属氮化物、贵金属等作为锂空气电池的电催化剂。在锂空气电池中，过渡金属氧化物是研究最多的电催化剂，目前已对氧化锰，氧化钴，氧化铁，氧化钒，氧化镍等作为电催化剂的研究应用于锂空气电池，其中氧化锰及氧化钴的性能最为突出。Peter G.Bruce(Journal of Power Sources 174，2007，1177-1182)等研究了不同类型过渡金属氧化物的电催化性能，EMD(电解氧化锰)与Co₃O₄拥有着较好的放电容量、循环性能及电催化性能；Jiaxin Li(Electrochemistry Communications，13，2011，698-700)等采用氧化还原制备出了碳载氧化锰电催化材料，其放电容量超过1800mAh/g，放电平台高于2.8V，充电平台低于3.8V，电池极化大幅度降低；Yanming Cui(Solid State Ionics，2012，in press)等采用硬模板法制备出了不同型号的介孔Co₃O₄，电池的充电平台可降低至3.5V左右，电催化性能优异。使用过渡金属氧化物作为电催化剂时，其锂空气电池有放电容量高、循环性能好、较好的电催化性能的特征，但是过渡金属氧化物的导电性不好，反应容易被终止，不能发挥出稳定的电催化性能。Shanmu Dong(Chemical Communications，2011，47，11291-11293)等以采用氨气还原法将MoO₃还原成MoN为电催化剂，由于MoN良好的导电性，其放放电平台极高，但是其充电电压并没有有效地降低，催化性能还需进一步提高。Yi-Chun Lu(Journal of the American Chemical Society，2010，132，12170-12171)等制备了贵金属纳米电催化剂PtAu/C应用到锂空气电池中，研究结果表明，电池的放电电压有着明显的提高(比纯碳高0.2V左右)，充电电压大幅度的降低(比纯碳低0.6V左右)，显著提升了电池充放电效率，但是使用贵金属电催化剂，其原料价格昂贵，电池的比容量与循环性能的发挥不是很理想，不易大规模商业化。