[发明专利]一种锂-氧气二次电池正极及其制备方法、锂-氧气二次电池

说明书

本发明提供了一种锂‑氧气二次电池正极，包括网状的金属材料和复合在金属材料表面的氮掺杂碳纳米管；所述金属材料包括铁、镍和铁镍合金中的一种或多种。本发明将多孔道结构的催化剂，通过一步法生长在金属材料网的表面，得到了可弯曲、超疏水的锂‑氧气二次电池的一体化正极材料，具有较高的孔道利用率和连通性，较强的传质能力，提高了充放电利用率和循环次数。而且制备方法工艺简单，操作方便、易于实现规模化生产，且不需添加集流体和粘结剂，省去复杂的粉末电极制备过程，大幅的提升了锂‑空气电池的比能量、能量利用效率和空气正极的稳定性。同时，在弯曲条件下具有较高的机械强度和较强的疏水性能，在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂-氧气二次电池技术领域，涉及一种锂-氧气二次电池正极及其制备方法、锂-氧气二次电池，尤其涉及一种柔性、超疏水的锂-氧气二次电池正极及其制备方法、锂-氧气二次电池。

背景技术

空气电池是化学电池的一种，构造原理与干电池相似，所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧，也称为氧气电池，按正极材料通常分为锂-空气电池，锌-空气电池和铝-空气电池等，即金属-氧气电池。如锌-空气电池就是以锌为阴极，以氢氧化钠为电解液，而阳极则是多孔的活性炭，因此能吸附空气中的氧气用以代替一般干电池中的氧化剂。

在这些金属-氧气电池中，锂-氧气电池，是以锂作为负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池，其放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(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。锂-氧气电池具有更高的比能，因而也受到了业内研究人员的广泛重视，而且由于其正极材料(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里，锂-氧气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。理论上来说，氧气作为正极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.14kWh/kg(不包括氧气)。

但是要实现锂-氧气二次电池的广泛应用，还需要解决一系列问题，比如高过电位、放电容量低、循环寿命短等问题。目前，商业上使用的多孔碳空气正极都是用碳材料堆积造孔得到的，孔道的利用率低、连通性差和传质能力差，影响放电产物Li₂O₂的沉积，导致锂-氧气二次电池的过电位升高，充放电循环次数少。另一方面，现有的多孔碳空气正极中氧还原/氧析出催化剂的负载主要还是采用机械混合的方式，不能有效发挥载体与催化剂之间的协同效应，进一步恶化了锂-空气电池能量转换效率和倍率性能。

而且近些年来，柔性能源器件如锂离子电池、超级电容器和压电器件的发展为可穿戴电子领域奠定了基础，但是其较低的能量密度，难以满足可穿戴设备长续航能力的需求。而锂-氧气二次电池由于具有较高的理论能量密度而受到柔性能源器件领域的广泛关注，但是锂-氧气二次电池的正极大部分都是刚性、不可弯曲的，组装成的锂-氧气二次电池器件对于复杂的扭曲形变更是难以达到，不能满足可穿戴设备的需求。

因此，如何得到一种具有更好性能的锂-氧气二次电池正极材料以及锂-氧气二次电池，同时还能拓宽其在柔性能源器件的应用，已成为领域内诸多具有前瞻性的研究人员广泛关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂-氧气二次电池正极及其制备方法、锂-氧气二次电池，本发明通过一步法，得到了一体化的锂-氧气二次电池正极具有较高的孔道利用率和连通性，较强的传质能力，提高了充放电利用率和循环次数，而且具有可弯曲的性能。

本发明提供了一种锂-氧气二次电池正极，包括网状的金属材料和复合在金属材料表面的氮掺杂碳纳米管；

所述金属材料包括铁、镍和铁镍合金中的一种或多种。

优选的，所述氮和碳的摩尔比为1：(10～20)。