[发明专利]一种锂二氧化碳电池正极催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及一种锂二氧化碳电池正极催化剂，属于电池技术领域。锂二氧化碳电池正极催化剂为钴掺杂氧化镍碳纳米管材料，多孔结构材料的孔径为2～100 nm，其中，钴掺杂氧化镍纳米颗粒的尺寸为7～10 nm；用于锂二氧化碳电池中，在100 mA/g电流密度下放电容量可达到5848 mAh/g，在充电截止电压为4.5 V时库伦效率为92.81%；当容量限制在500 mAh/g的模式下，过电位可降低到1.26 V，并且电极能够稳定充放电循环超过500小时不衰减。本发明的催化剂有效地降低了成本，且合成方法简易高效。催化剂的纳米颗粒尺寸减小，增加了反应活性面积；改善了正极催化剂中氧化镍的导电性和电催化活性，利于存储固态放电产物，以提升电池容量。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种高效廉价的锂二氧化碳电池正极催化剂及制备方法。

背景技术

锂二氧化碳电池利用金属锂和二氧化碳之间的氧化还原反应（4Li+3CO₂↔2Li₂CO₃+C），实现了二氧化碳循环利用和电化学转换存储的双重功能。由于锂二氧化碳电池具有较高的放电电位（～2.80 V）和理论能量密度（～1876 Wh/kg），被认为是一种很有前途的电化学储能技术。然而，固态放电产物碳酸锂较稳定且难分解，导致了充放电过电位高以及循环稳定性差等问题，阻碍了锂二氧化碳电池的实际应用与推广。因此，开发一种高效廉价的锂二氧化碳正极催化剂以加快电化学反应动力学、降低电压极化进而提高循环性能具有重要的意义。

碳纳米管（CNT）正极催化剂（Chemical Communications. 2015, 51: 14636-14639）实现了锂二氧化碳电池的可充电性，但对二氧化碳氧化反应的催化活性差，电池的充电电压仍然过高(4.5 V)。而且，在较小电流密度（50 mA/g）下,电池的过电位始终保持在2 V以上，充放电循环也只能保持29次。通过碳纳米管和二氧化钌结合（CNT@RuO₂）组成复合催化剂（ACS Applied Materials Interfaces. 2019, 11: 5146-5151）在相对较大的电流（100 mA/g）下实际充放电循环寿命达25次，但二氧化钌是贵金属氧化物，经济成本较高，并不适宜真正的应用推广。氧化镍-碳纳米管（NiO-CNT）过渡金属正极催化材料（Journal of Materials Chemistry A .2018， 6： 2792-2796）成功地将充电电压降低到～4.30 V，在纯二氧化碳气氛中能够有效地分解主要放电产物碳酸锂。但氧化镍尺寸较大（～300 nm），导电性能不佳，导致二氧化碳的还原活性差。并且在大电流（100 mA/g）下，电池只可以充放电循环运行25次。

发明内容

为了降低锂空气电池正极催化剂的成本，解决电池正极催化剂中氧化镍（NiO）的颗粒尺寸大，导电性能差以及对二氧化碳还原反应的电催化活性较弱等问题，本发明提供了一种锂二氧化碳电池正极催化剂，同时提供了一种锂二氧化碳电池正极催化剂的制备方法。

一种锂二氧化碳电池正极催化剂为钴掺杂氧化镍均匀生长在碳纳米管基体上的多孔材料，所述多孔材料的孔径为2～100 nm，其中，钴掺杂氧化镍（Co-NiO）纳米颗粒的尺寸为7～10 nm；

用于锂二氧化碳电池中，在100 mA/g电流密度下放电容量可达到5848 mAh/g，在充电截止电压为4.5 V时库伦效率为92.81%；当容量限制在500 mAh/g的模式下，过电位可降低到1.26 V，并且电极能够稳定充放电循环超过500小时（50次）不衰减。

一种锂二氧化碳电池正极催化剂的制备操作步骤如下：

（1）.将105.1～93.4 mg（0.36～0.32 mmol）六水硝酸镍和11.65～23.30 mg（0.04～0.08 mmol）六水硝酸钴溶于40 mL去离子水中，搅拌5分钟，加入150 mg碳纳米管，超声分散2小时，得到悬浊液；