[发明专利]一种二次锂-空气电池阴极催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池材料，具体涉及一种二次锂-空气电池阴极催化剂，属于高性能化学电源电催化剂领域。

背景技术

由于空间技术、移动通信、导弹、航空航天等领域的快速发展以及现代人们对能源危机、环境保护的关心，高储能电池的研究、开发已引起了人们的广泛关注。由于锂是所有金属元素中质量最小、电极电位最低,所以由锂组成的电池具有开路电压高、质量比容量大等特点，最近几年迅速替代了镍镉、镍氢电池成为最受欢迎的高能电池。

二次锂－空气电池是一种以氧气为正极活性材料、以金属锂为负极活性材料的电池，也称“金属锂燃料电池”。 由于氧气来源于空气，取之不尽、用之不竭，因而二次锂－空气电池具有成本低、对环境友好的优点。二次锂－空气电池的开路电压约为3.0 V，是氢－氧燃料电池的3倍；由于氧气不需要储存在电池内部，其理论能量密度高达5.21 kWh/kg(含氧气)或11.14 kWh/kg(不含氧气)，远高于传统锂离子电池的理论能量密度（200-250 Wh/kg），其性能可与汽油(12.22 kWh/kg)相媲美。因此，二次锂－空气电池作为新一代高能量密度电源在便携式电子产品和通讯设备等领域具有广阔的应用前景，尤其可满足电动汽车电源的高能量密度的要求。

目前，二次锂－空气电池在全球范围内正处于快速研发阶段。在二次锂-空气电池充放电过程中，作为阴极的空气电极（即氧气电极）对电池的电化学性能有着决定性影响。空气电极是二次锂-空气电池放电时发生氧气还原反应和充电时发生金属氧化物分解反应的场所，存在典型的气液固三相反应界面区，反应过程中由于空气电极的氧气电化学还原反应缓慢和Li₂O₂/Li₂O电化学氧化析出氧气的活化能高而造成了电池充放电极化大、充放电效率低以及循环性能差。

为克服上述缺点，催化剂的使用是关键，阴极催化剂作为锂空气电池的重要组成部分，为锂空气电池充放电过程中的过氧化锂形成和分解提供催化中心，不仅影响二次锂－空气电池的充放电电位、充放电容量而且影响电池的循环性，它能在充电过程中促进Li₂O₂/Li₂O的分解，提高循环效率。

Abraham 等人使用碳载钴酞箐大环化合物作为阴极催化剂组装成锂空气电池，使电池的过电位降低了0.65V，并且电池表现出好的循环效率；但是酞菁与过渡金属配位生成的大环化合物催化剂，制备工艺复杂，产率低，而且合成大环化合物的原料成本高，合成路线长、副反应多，从而大大的提高了催化剂的制备成本(K.M.Abraham; Z.Jiang A Polymer Electrolyte‐Based Rechargeable Lithium/Oxygen Battery.  J.Electrochem.Soc. 1996 143:1)。

MIT的Yang Shao-Horn课题组在这方面做了大量工作，开发了PtAu合金双功能催化体系，研究表明，Au对氧还原反应表现出较高的催化活性，而Pt则对氧析出反应具有较高的灵敏度；尽管Pt、Au等贵金属表现出了优异的催化效果，但由于其昂贵的价格和稀缺的资源使其很难大规模应用在商业领域（S.H.Yang et al. Platinum?Gold Nanoparticles: A Highly Active Bifunctional Electrocatalyst for Rechargeable Lithium?Air Batteries. J.Am.Chem.Soc. 2010 132:12170）。