[发明专利]一种高活性锂空气电池空气电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂空气电池领域，具体涉及一种锂空气电池空气电极材料及其制备方法。

背景技术

锂空气电池作为一种新型能量存储装置，其理论能量密度高达5200 Wh/kg，不包括氧气时的能量密度高达11140 Wh/kg，是理论能量密度最高的储能器件，Abraham等人在1996年首次报道了有机电解质锂空气二次电池体系，克服了水系电解液的缺点。目前来说，锂空气电池放电时电压约为2.7V（vs. Li⁺/Li），低于其标准电压（2.96V），充电时电压在4.0V以上，明显高于放电电压，能量效率低于70%。同时，较高的电压也容易引起电解液的分解，发生不可逆的电化学反应。另外，锂空气电池的主要放电产物Li₂O₂不溶于电解液，随着放电的进行，越来越多的Li₂O₂将沉积在正极碳的孔道内，一方面导致孔道的堵塞，正极活性物质O₂无法进入，从而使电压下降；另一方面，放电过程不断沉积的Li₂O₂会破坏碳的多孔结构，严重影响了锂空气电池的循环性能和寿命。

空气电极(电池正极)在电池充放电过程中极化较大，一方面造成电池能量效率降低，另一方面，在较高的充电电压下，电解质溶液及电极材料易发生反应，从而降低电池的使用寿命。因此，正极的研发状况决定着锂空气电池的发展，而正极性能的改善就成为了该领域的研究热点。通常采用在空气电极中加入催化剂的方法来降低充电电压，提高锂空气电池的能量效率，减少甚至避免电解液发生分解，从而改善锂空气电池的循环性能。贵金属具有催化氧还原功能，对降低锂空气电池的过电压，提高能量效率，改善循环性能起着重要作用。金属氧化物具有催化氧析出功能，可以提高锂空气电池的放电容量和循环性能，但这类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。

    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空气电极，迫切需要开发高效的双功能催化剂以促进放电过程中氧气还原和充电过程中氧气的析出，从而提高二次锂-空气电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂空气电池空气电极材料，提高锂空气电池的容量和使用寿命。 

为达到上述目的，本发明提供了一种锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，该材料由纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳高度混合，复合而成。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%-90%。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物为MOx，其中金属元素M为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cr中的一种或几种，1≤x≤2。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米金属氧化物为纳米MnO₂粉末。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的贵金属为金（Au）、银（Ag）、钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）中的一种或几种。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的多孔碳为科琴黑（ketjenblack）、石墨烯、碳纳米管、导电炭黑Super-P、活性炭中的一种或几种。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的纳米过渡金属化合物采用水热方法合成。

上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料，其中，所述的高度混合是指采用高能球磨混合。

本发明还提供了一种上述的锂空气电池空气电极用纳米复合催化剂材料的制备方法，该方法是将纳米金属氧化物、贵金属和多孔碳按比例进行高能球磨，得到锂空气电池空气电极复合材料，其中，所述的纳米金属氧化物在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，贵金属在复合催化剂材料中质量百分比为5%-25%，多孔碳在复合催化剂材料中质量百分比为50%-90%。

上述的制备方法，其中，所述的纳米金属氧化物采用水热方法合成，该水热方法是指在水溶液中合成纳米金属氧化物的前躯体，然后，在氧气气氛下，金属氧化物前躯体在300-800℃烧结，得到纳米金属氧化物。