[发明专利]一种高能量密度锂空气电池空气电极及电池和制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，更为具体地，涉及一种高能量密度锂空气电池空气电极及电池和制备方法。

背景技术

锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。其放电过程如下：阳极的锂释放电子后成为Li⁺，Li⁺穿过电解质材料，在阴极与氧气以及从外电路流过来的电子结合，生成氧化锂 (Li₂O) 或者过氧化锂(Li₂O₂)，并留在阴极。充电时进行相反的反应释放出氧气。两个反应都是在碳电极表面进行。

锂空气电池比锂离子电池具有更高的比能量，理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能量为5210W h/kg(包括氧气 质量)，或11140W h/kg (不包括氧气质量)。高出现有的电池体系1~2个数量级。巨大的能量密度决定了锂空气电池将在航空和移动能源领域中有广泛的应用。

但是，锂空气电池的实际容量受空气电极的微结构和锂电极易腐蚀所制约，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，活泼的金属锂电极与空气中的水分和二氧化碳能够发生激烈的反应，研究锂电极的保护也是非常有意义的。

目前，针对以上两点，对锂空气电池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 Materials19(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化学性能和安全大幅度提高的锂空气电极。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术锂空气电池实际放电容量低、循环性差的缺陷，提供一种锂空气电池空气电极，所述锂空气电池空气电极包括催化剂、载体和粘结剂；所述载体为具有高的导热系数（~5000W/m.k）、高比表面积(2630m²/g)和高电导率(10³~10⁴Sm^-1)的纳米石墨烯和SiO₂气凝胶复合双孔体系材料；其独特的二维纳米结构，为电解液与氧气的扩散提供双面通道，能够形成理想的三相电化学区域，增加了催化反应效率。

本发明的另一个目的是提供一种锂空气电池空气电极的制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种锂空气电池。所述锂空气电池包括如上所述的空气电极。所述锂空气电池由于采用了纳米石墨烯和SiO₂气凝胶的复合双孔体系材料作为锂空气电池的新型锂空气电极载体材料，可以明显降低粘结剂使用量，有效地阻止有机电解液淹没空气电极，获得更大的反应活性区域即气液固三相界面，最终提高电池的比容量，改善电池充放电性能，尤其是大电流密度条件下的性能。同时，材料制备采用的各种技术操作简单，适合大规模生产。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：