[发明专利]生产碳负载镍-钴氧化物催化剂的方法及其在可再充电电化学金属-氧电池中的用途

说明书

本发明涉及一种生产碳负载镍-钴氧化物催化剂的方法、可以由本发明方法或由本发明方法得到的碳负载镍-钴氧化物催化剂、包含所述碳负载镍-钴氧化物催化剂的气体扩散电极和包含所述气体扩散电极的电化学电池。

蓄电池组、蓄电池或“可再充电电池组”仅仅是电能可以在产生之后储存并在需要时使用的一些实施方案。由于显著更好的功率密度，近来人们已经由水基蓄电池组转向开发其中在电池中的电荷传输由锂离子完成的那些电池组。

然而，具有碳阳极和基于金属氧化物的阴极的常规锂离子蓄电池的能量密度有限。有关能量密度的新眼界已经由锂-硫电池以及尤其是锂-氧或锂-空气电池打开。在常规实施方案中，金属，尤其是锂在非水电解质中被大气氧氧化而形成氧化物或过氧化物，即在锂的情况下形成Li₂O或Li₂O₂。释放的能量由电气设备利用。这类电池组可以通过还原在放电过程中形成的金属离子而再充电。为此，已知可以使用气体扩散电极(GDE)作为阴极。气体扩散电极是多孔的且具有双功能作用。因此，金属-空气电池组必须能够在放电过程中将大气氧还原成氧化物或过氧化物离子并在充电过程中将该氧化物或过氧化物离子氧化成氧气。为此，例如已知气体扩散电极可以在由细碳构成的载体材料上构造，所述载体材料包含一种或多种用于催化氧气还原或氧气形成的催化剂。

例如，A.Débart等，Angew.Chem.2008，120，4597(Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2008，47，4521)公开了该类气体扩散电极要求催化剂。Débart等提到Co₃O₄、Fe₂O₃、CuO和CoFe₂O₄，并且它们报道了α-MnO₂纳米线并将它们与MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、λ-MnO₂、Mn₂O₃和Mn₃O₄进行了比较。

M.Guene等，Bull.Chem.Soc.Ethiop.，2007，21(2)，255-262公开了四种制备镍-钴尖晶石氧化物Ni_xCo_3-xO₄的途径。研究了不同镍-钴尖晶石氧化物的导电性和孔隙率。

Y.Q.Wu等，Electrochimica Acta，56(2010)7517-7522公开了一种可控合成NiCo₂O₄晶体的溶胶-凝胶方法及其在超级电容器中作为电极材料的用途。

H.Cheng等，J.Power Sources 195(2010)1370-1374公开了用于可再充电锂-空气电池组的碳负载氧化锰纳米催化剂。基于氧化锰的催化剂使用MnSO₄和KMnO₄的氧化还原反应以纳米颗粒形式合成，收纳在碳基体的孔中并随后热处理。

L.Wang等，J.Electrochem.Soc.158，A1379-A1382(2011)公开了制备在石墨烯上生长的CoMn₂O₄尖晶石纳米颗粒，它们作为用于锂-空气电池组的双功能催化剂。

所有由上述现有技术已知的钠-氧或钠-空气电池组及其组件仍待改善下列性能中的至少一种：在室温下的可操作性、在降低的过电压下再充电过程中的氧气形成反应、在降低的过电压下放电过程中的氧气还原、机械稳定性和电化学电池或电池组的寿命。

由该现有技术出发，目的是要找到灵活且更有效的催化剂合成途径并找到就下列性能中的至少一种改善的催化剂：导电性，电催化活性，耐化学品性，耐电化学腐蚀性，机械稳定性，在载体材料上的良好粘附以及与粘合剂、导电碳黑和/或电解质的低相互作用。此外，应考虑优化由材料和生产支出引起的成本，以促进该新储能技术的迅速扩大。

该目的由一种生产碳负载镍-钴氧化物催化剂的方法实现，该催化剂包含：

(A)呈导电多晶型的碳，和

(B)式(I)的镍-钴氧化物：

Ni_xCo_3-xO₄    (I)，

其中x为0.5-2.0，优选0.7-1.5，尤其是0.8-1.1，

所述方法包括如下工艺步骤：