[发明专利]锌空气电池阴极材料、全固态锌空气电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锌空气电池阴极材料，该阴极材料由导电基体及导电基体上负载的三维网格结构的双功能氧催化剂组成，该双功能氧催化剂由依次在导电基体上原位生长的Ni₃S₂纳米片、MnO₂/NiFe‑LDH纳米片组成，是一种复合材料催化剂。本发明的锌空气电池阴极材料，避免了粘结剂的使用，提高了锌空气电池阴极材料的氧催化活性。本发明还公开了一种锌空气电池阴极材料的制备方法，通过两步水热法将金属硫化物和氧化锰/镍铁双氢氧化物依次原位生长在导电基体上，降低电荷转移阻抗，有利于氧催化反应的发生，提高锌空气电池的动力学性能。本发明还公开了一种全固态锌空气电池及其制备方法。

技术领域

本发明涉及锌空气电池的技术领域，尤其涉及一种锌空气电池阴极材料和包含有该阴极材料的全固态锌空气电池及其制备方法。

背景技术

随社会的不断发展，环境问题与能源问题愈演愈烈，寻找一种可替代能源缓解能源紧缺，并达到减少对环境的污染的目的势在必行。锌空气电池是以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。锌空气电池具有半封闭的结构，利用大气中的氧气作为正极的反应物，由于反应物储存在电池外部，因此具有较高的理论能量密度。

近年来，与液体电池相比，全固态电池因其具有更高的安全性和灵活性而受到广泛关注。固体电解质具有机械性能好和离子电导率高的优点，同时也可以作为分离器，以防止电池内部短路，这样可以进一步简化配置，因此，固态锌空气电池成为研究热点。

首先，在碱性条件下锌空气电池的基本反应包括氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER),由于现有氧催化剂具有电位高活性低的特点，使得这些反应动力学缓慢，限制了锌空气电池的整体效率，其次，现有锌空气电池的阴极制备方法通常是将氧催化剂通过粘结剂负载在导电基体(如碳纸、碳布和泡沫镍等)上，粘结剂的使用会遮盖部分催化活性位点，这会增加空气正极的电荷转移阻抗，不利于正极氧催化反应的进行；且粘结剂作为一种物理附着的方式，结合力并不强，在锌空气电池长期运行过程中，催化剂和空气极会发生脱离，降低了锌空气电池的使用寿命。

鉴于上述问题，亟需提供一种高活性、高效率和长寿命的锌空气电池阴极材料及全固态锌空气电池。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明首先提供了一种锌空气电池阴极材料及其制备方法，以解决现有阴极材料上所负载的氧催化剂活性低、反应动力学缓慢和使用寿命短的问题。

本发明还提供了一种全固态锌空气电池及其制备方法，以解决现有液体电池安全性和灵活性差的问题，同时提高锌空气电池的整体效率。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种锌空气电池阴极材料，所述阴极材料由导电基体及所述导电基体上负载的三维网格结构的双功能氧催化剂组成，所述双功能氧催化剂由依次在所述导电基体上原位生长的Ni₃S₂纳米片、MnO₂/NiFe-LDH纳米片组成。

本发明双功能氧催化剂由依次在导电基体上原位生长的Ni₃S₂纳米片、MnO₂/NiFe-LDH纳米片组成，为了实现异质结构的协同作用，需要合理的工程设计，充分体现各组分的异质界面，保证所有电催化剂中离子/电子的快速运输。先在导电基体上原位生长Ni₃S₂纳米片，保持了具有分级宏观孔隙的三维网格结构，Ni₃S₂纳米片均匀地垂直生长在导电基体的表面，并且在空间上具有良好的互连结构，而δ-MnO₂(即得到的MnO₂纳米片)具有非均相纳米结构，因此相对于单一均相催化剂，其在不同活性位点和电子构型界面上表现出协同动力学。最后镍铁双氢氧化物(NiFe-LDH)具有成本低，氧化还原性高，对环境友好的特点，可保持高密度覆盖排列。