[发明专利]一种包含氮掺杂石墨烯的正极、其制备方法及采用该正极的锂电池

说明书

本发明提供了一种包含氮掺杂石墨烯的锂/亚硫酰氯电池用正极、其制备方法及采用该正极的锂/亚硫酰氯电池，所述锂/亚硫酰氯电池用正极中加入了氮掺杂石墨烯作为催化剂，使得采用本发明的正极制作得到的锂/亚硫酰氯电池具有更优异的电化学性能，显著提高了锂/亚硫酰氯电池的放电电压及放电容量，常温下用放电测试系统在25mA·cm^‑2的电流密度条件下放电至2.0V，放电比容量高达1700mAh·g^‑1以上，放电电压为2.83V，比正极中未加入催化剂的锂/亚硫酰氯电池的放电比容量高约600mAh·g^‑1，放电电压高100mV。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种锂/亚硫酰氯用正极、其制备方法及采用该正极的锂电池，尤其涉及一种包含氮掺杂石墨烯催化剂的锂/亚硫酰氯正极、其制备方法及采用该正极的锂/亚硫酰氯电池。

背景技术

锂/亚硫酰氯(Li/SOCl₂)电池具有比能量高、储存和使用寿命长、体积小和放电平台稳定等特点，使其被广泛应用于工业生产，例如航空航天、日常生活各领域，尤其是在长寿命仪器仪表中具有广泛的应用。在该电池中，液态的SOCl₂既是电解液也是阴极活性物质，因而具有很高的比能量。SOCl₂吸附在多孔碳阴极中发生还原反应：2SOCl₂+4e^-→S↓+SO₂+4Cl^-，碳作为SOCl₂的载体同时也是催化SOCl₂还原的催化剂，但SOCl₂在固液界面的还原反应很慢，难以支持电池大电流放电，而只能以小电流放电。

为了解决锂/亚硫酰氯难以支持大电流放电的问题，通常在锂/亚硫酰氯电池的正极或电解液中加入催化剂，以提高SOCl₂的还原反应速度，文献中报道的催化剂主要是过渡金属大环化合物，如铁卟啉和酞菁类及席夫碱过渡金属配合物等，然而这些大环化合物合成复杂，且其中的主要原料，如氰化物剧毒且很昂贵，因此，亟待开发一种简便合成新型催化剂的方法。

CN 102936260 A公开了一种亚酞菁化合物、制备方法及其用于锂/亚硫酰氯电池催化的应用。其通过溶剂法制备一系列亚酞菁配合物，包括外围苯环有取代和无取代的亚酞菁，以制备得到的亚酞菁作为催化剂加入到电解液中进行电化学性能测试，测试时，电解液中含有浓度为2mg/1mL的亚酞菁催化剂，以未被氧化的锂片作为负极，乙炔黑和聚四氟乙烯按一定比例混合碾压制备得到的薄膜材料作为正极，由玻璃纤维丝制成的非有机物薄膜作为隔膜。结果表明，加入了催化剂的电池中，由于亚酞菁的立体构型及大环共轭体系良好的电子传导能力，使碳正极表面存在较为疏松的结构，相对于不添加催化剂的电池，更有利于电极反应的进行。CN 101507930 A公开了一种金属酞菁/碳纳米管复合催化剂及其制备方法以及使用这种催化剂的锂/亚硫酰氯电池。采用金属酞菁类化合物及碳纳米管制备得到金属酞菁/碳纳米管复合催化剂，作为添加剂用于制备正极，正极主要组分为乙炔黑，且乙炔黑中添加了金属酞菁/碳纳米管复合催化剂，添加量为乙炔黑的0.01～15wt％。对其电化学性能进行测试表明，在正极中加入金属酞菁/碳纳米管复合催化剂可提高放电中点电压，提高电池的电化学性能。CN 101414677 B公开了一种锂/亚硫酰氯电池碳阴极的制备方法。其阴极的制备方法如下：(a)和粉：乙炔黑、聚四氟乙烯水溶液和异丙醇的重量比为22：5：200，酞菁钴配合物的加入量为固体混合物总量的2～10％，将各组分混合均匀得到阴极膏状物，再经(b)碾压成型和(c)真空烘干制备得到锂/亚硫酰氯电池碳阴极。酞菁钴配合物既作为电催化剂，又作为造孔剂，可提高锂/亚硫酰氯电池的放电容量和工作电压，提高电池的大电流放电能力。但是，上述三篇专利中通过在电解液中或正极中加入的催化剂，虽然可以提高电池的放电性能，但是得到的电池在大电流条件下的放电比容量仍相对较低，有待进一步提高。