[发明专利]一种钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂及其制备方法和应用，属于锂氧电池技术领域。本发明利用静电纺丝技术制备出自支撑型、无粘结剂的多孔轻质的钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂，这种大比表面积的三维网络状复合纤维具有接触电阻小，电极极化小，轻质高效的优点，多孔通道的结构能够增大比表面积，增加活性位点，还能有利于离子、氧气等的传输，从而优化了电池的空气电极结构，使得锂氧电池的性能得到大幅度的提升，组成电池后，100mA·g^‑1充放电时，放电容量最高可达4427mA·h·g^‑1；当截止容量为500mA·h·g^‑1时，200mA·g^‑1充放电条件下，电池能够循环60周，循环稳定性良好。

技术领域

本发明涉及锂氧电池技术领域，尤其涉及一种钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，锂氧电池越来越引起人们的广泛关注。锂氧电池是一种新型高效、理论比容量极高且相对环保的绿色电池。其正极材料来源于空气中的氧气，负极材料为金属锂。理论上来说，锂氧电池正极处的O₂量不受限制，其容量主要取决于负极金属Li片，因此其容量应该非常大，但其实际容量远未达到理论值，仍存在着很多的问题。首先，最大的问题就是氧气在空气电极一侧的还原反应非常缓慢，此外放电过程中生成的主要放电产物Li₂O₂导电性差，分解极其困难。因此，为降低正极反应过程中的电化学极化和充电过程的过电位，可加入有效的氧催化剂，从而促进O₂在阴极的还原和析出，降低充放电电压等。但是，现有技术中的催化剂限制了锂氧电池的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂及其制备方法和应用。本发明制得的自支撑型、无粘结剂的多孔轻质的钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂接触电阻小，电极极化小，轻质高效，多孔通道结构能够增大比表面积，增加活性位点，还有利于离子、氧气等的传输，从而优化电池的空气电极结构，使得锂氧电池的性能得到大幅度提升。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将聚丙烯腈、乙酸钴四水合物和N,N-二甲基甲酰胺混合，得到壳体前驱体；

将聚甲基丙烯酸甲酯与N,N-二甲基甲酰胺混合，得到核体前驱体；

将所述壳体前驱体注入外层注射器中，将所述核体前驱体注入内层注射器中，进行静电纺丝，得到纤维；

对所述纤维进行热处理，得到所述钴负载的中空碳纳米纤维复合催化剂。

优选地，所述壳体前驱体中聚丙烯腈的重量含量为10～12％，乙酸钴四水合物的重量含量为5～7％。

优选地，所述核体前驱体中聚甲基丙烯酸甲酯的重量含量为20～25％。

优选地，所述静电纺丝的电压为15～20KV，针头与接收板的距离为15～20cm。

优选地，所述外层注射器的推进速度为0.11～0.13mm/min，所述内层注射器的推进速度为0.08～0.10mm/min。

优选地，所述热处理包括依次进行的第一热处理和第二热处理，所述第一热处理在空气气氛中进行，所述第一热处理的温度为225～255℃，保温时间为4～5h，升温至第一热处理温度的升温速度为1℃/min；所述第二热处理在高纯氮气中进行，所述第二热处理的温度为700～900℃，保温时间为1～2h，升温至第二热处理温度的升温速度为2℃/min。