[发明专利]一种具有核壳结构的碳化钼/碳复合材料及其制备方法和在锂空气电池中的应用

说明书

本发明公开了一种具有核壳结构的碳化钼/碳复合材料及其制备方法和在锂空气电池中的应用。该复合采用具有核壳结构，内核和外壳均由表面多孔的碳化钼掺杂碳材料构成，其制备方法是将钼酸盐溶液与树脂溶液混合，得到悬浮液，所述悬浮液通过溶剂热法合成球形前驱体；所述球形前驱体置于保护气氛中，在高温下进行热处理，即得导电性能好、比表面积大及催化活性高的碳化钼/碳复合材料，将其用作锂空气电池催化剂材料具有较低的过电位，高比容量以及优异的循环性能，且其制备方法简单，成本低廉，具有广阔的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种新型锂空气电池催化剂材料及其制备方法，特别涉及一种具有核壳结构及表面多孔的碳化钼/碳复合材料及制备方法，以及其作为催化材料在锂空气电池中的应用，属于锂空气电池领域。

背景技术

锂离子电池作为一种占据社会主导地位的电化学储能器件，已经在便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)中取得了快速发展，同样在电动汽车领域也表现出良好的发展前景。国内汽车行业拥有巨大的市场，人们对电动汽车的基本要求是一次充电能行驶500km，这就要求应用于电动汽车的锂离子二次电池的能量密度必须超过500Whkg^-1。然而，受到正负极材料自身理论储锂容量(如石墨为372mA h/g，钴酸锂为274mA h/g，磷酸铁锂为176mA h/g)的限制，目前商业化锂离子电池——传统锂离子二次电池(充放电过程中，正负极材料分别发生锂离子的脱出或嵌入)的能量密度已经很难在现有的基础(200～250Wh/kg)上取得较大的突破。因此，对于新型锂离子二次电池体系的开发势在必行。近年来，对新型锂离子二次电池体系的研究已逐渐成为锂离子电池领域的研究热点。在各种新型锂离子二次电池(锂空气电池，锂硫电池、锂硒电池等)中，锂空气电池凭借其极高的能量密度(对应金属锂为11400Wh kg^-1，对应Li₂O₂为3458Wh kg^-1，实际能量密度估计可达800Wh kg^-1)引起了人们的极大关注，并成为最具发展潜力的一种新型锂离子二次电池。

锂空气电池中比较重要的是其催化材料，在现有的各种非氧化物催化剂材料中，金属碳化物是比较有应用前景的一种。金属碳化物在最近一段时间才被人们提出可以用作锂空气电池正极电催化剂。Jiaxin Li等(J.Mater.Chem.A,2014,2(27):10634-10638.)通过向用于静电纺丝的聚丙烯腈原液中添加草酸亚铁的方法，利用静电纺丝和碳化结合的工艺，制备了负载有Fe/Fe₃C的碳纤维，由于Fe₃C的存在，复合材料作为锂空气电池正极材料时，有效地降低了电池的充放电过电位，并提升了电池的循环性能。但该制备方法过程复杂，难以实现工业生产。

上述碳化物应用于锂空气电池等方面时表现出良好的性能，但其制备方法大多存在合成条件苛刻，形貌和材料均匀度不易控制的缺点；碳化钼作为一种新型的过渡金属碳化物因其在催化方面良好的性能而得到广泛关注，其作为锂空气电池催化剂材料的研究值得探索。

发明内容

针对现有锂空气电池催化剂材料存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有核壳结构，表面多孔，且具有导电性能好、比表面积大及催化活性高等优点的碳化钼/碳复合材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种工艺简单、成本低廉、环境友好的上述材料的制备方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种碳化钼/碳复合材料作为锂空气电池催化剂材料的应用，应用其制备的锂空气电池具有较低的过电位、较高的充放电比容量和优异的循环稳定性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种具有核壳结构的碳化钼/碳复合材料，该复合材料具有核壳结构，内核和外壳均由表面多孔的碳化钼掺杂碳材料构成。