[发明专利]一种香蒲碳锂空气电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种香蒲碳锂空气电池正极材料及其制备方法和应用，所述香蒲碳是以香蒲植物的茎为碳源制备所得的碳材料，所述香蒲碳锂空气电池正极材料具有微米/纳米孔分级孔结构。本发明所得碳材料比表面积大，具有分级孔特征，纳米孔和微米孔可分别用于放电产物的沉积和氧、电解液的传质通道，并缩短离子及氧气的扩散距离，最大限度地提高碳材料孔的利用率，有效提高电池的放电比容量、循环稳定性及倍率放电能力。

技术领域

本发明涉及一种锂空气电池正极材料及其制备方法和应用，具体涉及一种香蒲碳锂空气电池正极材料及其制备方法和应用，属于锂空气电池技术领域。

背景技术

随着化石燃料的逐渐消耗和城市环境污染的日益严重，纯电动和混合动力汽车的开发使用越来越受到人们的重视。受到锂离子电池能量密度的限制，目前电动汽车的连续行驶距离仍远低于内燃机动力汽车。作为新一代电动车供能设备，锂空气电池由于结构相对简单，理论能量密度极高，成本低廉，已成为学术界的研究热点。

目前锂空气电池主要采用各种碳材料作为正极材料，在放电过程中，氧气、电子和锂离子在电解液/碳材料之间的固液两相界面上进行，碳材料表面生成不溶产物-锂氧化物，且随着生成不溶产物-锂氧化物的反应的进行，固体产物积累使内部孔道堵塞继而造成放电终止。因此，作为电化学反应的场所，碳材料的孔结构物性参数如：比表面积、孔容、孔径等分布对电池性能(尤其是充放电容量)具有重要的影响。因此制备大比表面积及合适的孔结构的碳材料，使其利于电解液于空气在多孔结构内传输，从而加快电极反应速率以及增加孔的有效利用，对于空气电极至关重要。

文献1(Journal of Power Sources,2010,195:2057-2063)报道了多孔碳的孔径分布与容量之间的关系，电极的容量由不会影响物质传输的大尺寸孔道内锂氧化物的量决定。碳材料的微孔与部分介孔孔道易被放电起始阶段所形成的锂氧化物堵塞，而完全由大孔构成的碳材料在放电过程中，由于锂氧化物的导电性差，放电产物在孔壁上的堆积厚度有限，大孔的中心部分得不到利用，也不能充分发挥孔的利用空间。

文献2(Advanced Functional Materials,2012,22,3699-3705)报道了一种由氧化石墨烯构成的分级多孔碳材料，作为锂氧气电池正极材料，其放电容量可达到11060mAh/g。Carbon,2017,118,139-147报道了一种包含250nm大孔及4-5nm介孔的分级孔的碳材料，其放电容量高达37523mAh/g。但上述材料由于制备方法复杂，成本较高，且实验条件要求较高，不利于大规模商业化制备应用，仍不能满足锂空气电池对材料的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种取材广泛，制备简单，成本较低的分级孔结构锂空气电池碳正极材料及其制备方法和应用。

为此，一方面，本发明提供了一种香蒲碳锂空气电池正极材料，所述香蒲碳是以香蒲植物的茎为碳源制备所得的碳材料，所述香蒲碳锂空气电池正极材料具有微米/纳米孔分级孔结构。事实上，所述微米/纳米孔分级孔结构为其材料本身特有的孔状结构特征。

在本发明中，香蒲碳是以香蒲植物的茎为碳源制备所得的碳材料，其具备微/纳米分级孔结构和大比表面积的特征，其微米及纳米孔为其材料本身特有的孔状结构特征。且，所得碳材料比表面积大，具有分级孔特征，纳米孔和微米孔可分别用于放电产物的沉积和氧、电解液的传质通道，并缩短离子及氧气的扩散距离，最大限度地提高碳材料孔的利用率，有效提高电池的放电比容量、循环稳定性及倍率放电能力。

较佳地，所述微米孔的孔径为1～10μm；所述纳米孔的孔径为0.1～10nm。在上述微米孔和纳米孔范围内，使得应用于锂氧气电池时，不会被放电起始阶段所形成的锂氧化物堵塞。

较佳地，所述香蒲碳锂空气电池正极材料的比表面积为100～1000m²/g。

另一方面，本发明还提供了一种上述的香蒲碳锂空气电池正极材料的制备方法，包括：