[发明专利]一种高性能反蛋白石结构氧化铈-碳复合锂氧气电池正极催化材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高性能反蛋白石结构氧化铈‑碳复合锂氧气电池正极催化材料及其制备方法。所得反蛋白石结构氧化铈‑碳复合材料为纳米量级，具有非常大的比表面积和高电导率，表现出良好的循环性能，且该材料的反蛋白石结构可以有效解决在充放电过程中体积膨胀和收缩的问题。同时原料廉价易得，制备方法简便，产率高，通过采用水热法和生物矿化法相结合即可获得，为锂氧气电池的大规模工业化生产和实际应用提供有效助益。

技术领域

本发明属于电化学和新能源领域，具体涉及一种高性能反蛋白石结构氧化铈-碳复合锂氧气电池正极材料制备方法，以及用该方法制备电极材料在锂氧气电池正极材料中的应用。

背景技术

当今，可再充电的锂氧气电池由于其优异的理论能量密度而引起了全世界的关注，这种电池的容量几乎是传统锂离子电池的10倍多，因此非常有望用作未来电动汽车的供电系统，有助于缓解能源危机，减少环境污染。然而，锂氧气电池的氧还原反应和氧析出反应的动力学过程滞后，造成高充放电过电势，低倍率性能，有限的循环寿命以及低比容量等问题，严重影响了锂氧气电池的实际使用性能。因此，开发合理设计结构的高效正极催化剂材料加速锂空气电池的动力学过程迫在眉睫。

研究人员致力于开发具有优良电催化活性的各种催化剂材料，如贵金属及其合金，过渡金属氧化物，钙钛矿型氧化物，金属碳化物和金属氮化物等。由于其卓越的催化活性，过渡金属氧化物如氧化镍，二氧化钌，四氧化三钴等已被广泛用于锂氧气电池正极催化材料。在众多的过渡金属氧化物之中，氧化铈含量丰富，具有非凡的电化学活性，可以促进锂空气电池的电化学动力过程。此外，在电池充放电过程中，三价铈和四价铈之间可以直接快速转换，从而有效地吸附和释放氧气，有效地提高电池的性能。但是，在锂空气电池放电过程中氧化铈表面形成的过氧化锂层厚度会达到40-60纳米左右，体积变化十分大，会导致循环性能变差。同时，氧化铈中三价铈的含量与氧化铈纳米粒子的尺寸有关，大于5纳米的氧化铈纳米粒子含有较少的三价铈，会严重降低氧化铈的催化活性，阻碍其作为正极催化剂材料的应用。

目前研究表明，设计一种合理的电极结构来容纳正极材料在放电过程中的体积变化，是改善氧化铈作为锂空气电池正极材料循环性能和倍率性能的有效手段。如日本的Hye等人(Yang C.,Wong R.A.,Hong M.,et al.Unexpected Li₂O₂film growth on carbonnanotube electrodes with CeO₂nanoparticles in Li-O₂batteries[J].Nano Letters,2016,16(5):2969-2974.)制备出负载氧化铈纳米粒子的碳纳米管作为锂空气电池正极催化材料，在50mA/g的电流下，容量达到1600mAh/g。华中科技大学Li等人(Jiang Y.,ChengJ.,Zou L.,et al.Ceria microspheres decorated graphene foam as flexiblecathode for foldable lithium-air batteries[J].ChemCatChem,2017,9(22):1-8.)制备负载氧化铈微球的石墨烯片作为锂空气电池正极材料,电化学性能得到明显改善，在电流密度为200mA/g，截止容量为600mAh/g条件下，循环达到80圈；在电流密度为200mA/g，截止电压为2.2-4.5V条件下，比容量是3250mAh/g。尽管目前有关氧化铈催化剂材料的电极结构设计已取到一定进展，但目前包括上述文献在内的大部分文献和专利关于氧化铈催化剂材料的电极材料的结构设计工艺和制备方法都是将氧化铈纳米粒子在复杂的碳材料上进行负载，工艺较复杂，成本较高，不利于实际大规模工业化生产和应用，因此寻求一种原料廉价、制备简便、产率高的氧化铈-碳复合电极材料成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容