[发明专利]一种金属空气电池空气电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种金属空气电池空气电极及其制备方法。将金属有机骨架材料与氮源小分子混合，使氮源小分子吸附在金属有机骨架内；然后在氮气氛围下进行高温碳化处理，最后进行酸处理去除金属粒子，得到氮掺杂多孔碳材料；将多孔碳材料配成浆料，涂覆于导电基底表面，即得到金属空气电池空气电极。本发明制得的氮掺杂多孔碳具有高比表面积和高氮含量及优异的氧还原催化活性，在配成的浆料中加入PVDF粘结剂以保证催化剂与基底的连接，通过PTFE薄膜，抵抗电解液对催化剂的冲刷，从而维持电极的稳定。本发明提供的制备方法简单可行、重复性好，便于大规模生产，可用于空气电池领域，尤其是锂空气电池的空气电极。

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种金属空气电池空气电极及其制备方法。

背景技术

空气电池是化学电池的一种，利用空气中的氧气为氧化剂发生化学反应构成电池的一极，金属电极为电池的另一极，将化学能转化为电能，实现能量的供应。目前的空气电池主要有锂空气电池、锌空气电池以及铝空气电池。空气电池实现其能量转化的一个重要步骤，即利用空气电极，将空气中的氧气还原。因此，空气电极的电化学性能以及稳定性，都成为影响空气电池电池性能的重压因素。

例如，锂空气电池的工作原理是：以金属锂为负极，以炭材料组成的多孔电极(即空气电极)为正极，放电时，金属锂在负极失去电子成为锂离子，通过电解质传输到多孔正极，同时电子通过外电路到达多孔电极，使氧气被还原后与Li⁺结合生成放电产物，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量；充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔电极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。

然而，空气电极的氧化还原反应(ORR)和析氧反应(OER)在自然状态下该反应进程非常缓慢，导致了锂-空气电池充/放电过电位高、能量效率低、倍率性能差，因此必须借助催化剂加快反应进程。目前商用的贵金属催化剂，由于高成本以及稀有性严重制约了金属空气电池的发展。因此，开发新型的非贵金属催化剂是当前研宄的重要课题。性能优良的非贵金属电催化剂所应该具备的基本条件为：丰富的催化活性位点，以保证催化剂有效率的催化反应的进行而产生电流；良好的导电性，以利于电催化过程中电子的传导与电流的收集；发达、丰富且分布合理的孔隙结构，以保证催化剂能够与电解液在最大程度上充分接触，从而充分利用催化剂中的活性位点。目前研究的非贵金属催化剂主要分为两类：一类为非贵金属催化剂与碳的复合催化剂，主要将过渡金属或其氧化物等与碳材料复合所得；另一类为碳基非金属催化剂，即催化剂中不含有金属，而是将碳基底上进行杂原子(N、S、O等)掺杂。

和贵金属催化剂相比，此两类催化剂在成本上具有巨大的优势。然而，在催化性能上却依然无法实现对于贵金属催化剂的超越。宄其原因，是由于碳材料制备过程的限制，难以获得具有高比表面积、高杂原子掺杂量和孔隙发达的催化剂。不仅如此，目前在电化学催化剂的合成方面，仍然存在有孔结构难以控制、活性位点暴露不够充分以及催化机理不够明确等问题需要解决。

因此，设计并制备结构与组成合理的空气电极催化剂，从而解决金属空气电池在空气中容量不够、可逆性不好的问题，成为急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种金属空气电池空气电极的制备方法，将金属有机骨架材料与氮源混合，使氮源小分子吸附在金属有机骨架内；然后进行高温碳化处理；最后进行酸处理去除金属粒子，得到氮掺杂多孔碳材料；将多孔碳材料制成浆料，涂覆于导电基底表面，即得到金属空气电池空气电极。

本发明的目的还在于提供一种上述方法制备得到的金属空气电池空气电极，具有优异的导电性和出色的氧化还原反应及析氧反应的催化活性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种金属空气电池空气电极的制备方法，包括以下步骤：

S1.氮掺杂多孔碳的制备：