[发明专利]一种锂-氧气/空气电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂‑氧气/空气电池，采用了正极催化剂材料MN_x，其中M为第一主族金属锂、钠或钾，N为碳或硅，6＜x≤100。本发明以常见的商业原料为基础，借助于电池反应原位合成MN_x材料作为正极催化剂，有效降低了充放电过程中的过电势，并且大幅度的提高了电池运行的稳定性。而且本发明的金属‑氧气/空气电池采用原位组装法，即对原始碳电极进行嵌锂改性后，不需要重新组装而是直接用作金属‑氧气/空气电池的正极，不会对电极片拆解时造成二次损伤，也不需要电解液平衡的重新建立，所得到的电池能量效率更高，运行稳定性更好，显示出很好的经济前景和实用价值。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种锂-氧气/空气电池及其制备方法。

背景技术

随着经济的快速发展，移动便携的电子设备，比如笔记本电脑、手机等产品日益普及，这些移动便携设备对电源的能量密度、稳定性、成本提出了更高的要求。同时，现代汽车工业已逐渐朝向清洁能源的纯电动汽车、混合动力型汽车等新能源汽车方向发展。车用动力电源的必备条件是：高功率、高能量密度、高安全性、强的环境适应性。传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等存在质量大和比能量小的问题(50Wh/kg)；燃料电池不但成本高，而且存在安全隐患；现有的锂离子电池在可移动电子设备和动力电池中有了部分应用，但是其能量密度依然较小，无法满足动力设备对能源进一步需求。目前商业化的锂离子电池主要是基于LiCoO₂等锂离子嵌层化合物，但这种电池的能量密度仍然偏小，由于正极材料和摇椅机理的限制，极限能量密度只能达到400Wh/kg，成为制约便携式设备进一步小型化发展的一个因素。因此，金属-气氛电池应运而生，包括Li-O₂，Li-CO₂,Li-N₂，Li-空气电池。其中锂-氧气/空气电池能量密度约为11400Wh/kg，具有接近汽油的能量密度，是金属空气电池中的佼佼者，因而被视为极有潜力的一类电池体系。

虽然锂空气电池经历了将近10年的实验室研究，也取得了许多重大的成就，但各方面都还有许多问题尚待解决。其中，对于锂空气电池发展的最大阻碍之一就是正极催化剂在充放电反应中双向催化动力学缓慢的特点。缓慢的动力学过程直接导致了空气电池重放电极化大，循环性能低、倍率性能差、同时长期在高电压下充电容易使电解液和导电剂分解、副产物增加，从而影响电池的使用寿命。众多的研究成果显示，在正极中添入催化剂会使得金属空气电池的电池性能大幅度提高。就目前的研究结果来看，性能较好的应属贵金属这一类催化剂，例如Pt，Pd，Ru和RuO₂等，但是依然很难达到实际应用的效果；另一方面，考虑到成本问题，这一类催化剂无法大范围使用，因而具有很大的局限性。另一种颇受关注催化剂的是功能化的碳材料(例如石墨烯，碳纳米管，介孔碳等)，虽然成本较贵金属相对低廉，但其生产过程也比较复杂，比如需要用到化学气相沉淀，静电纺丝等手段，很大程度依赖仪器设备和操作人员的技术水平，也无法做到大规模的推广，而且其本身并不优异的催化性能也成为限制其发展的重要因素。

专利文献CN109037857A公开了一种锂空气电池，该锂空气电池具备负极、正极、非水系锂离子导体和铜离子。其中铜离子作为正极催化剂，能有效分解锂空气电池放电过程中形成的过氧化锂，使充电电位降低。但是该电池使用的寿命很低，充放电循环试验中进行5次放电和充电，即循环运行5次后电池效率即开始降低，远不能满足实际需求。

专利文献107317041A公开了一种金属空气电池，其中正极催化剂层由形状记忆聚合物基底和负载于基底上的催化剂薄膜组成。所述催化剂薄膜为Pt、Pd、Ni或Co的纳米薄膜。但这些贵金属价格高昂，不适合作为工业大规模生产，因此缺乏市场推广的潜力。