[发明专利]一种具有金属空气电池自催化活性的过渡金属掺杂型化合物

说明书

本发明涉及一种具有金属空气电池自催化活性的过渡金属掺杂型化合物，化学式表达为Msubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;Osubgt;2/subgt;，其中M为过渡金属，N为第一、第二主族金属，0x≤0.1,0.90≤y1.00，所述过渡金属掺杂型放电产物以纳米片阵列形式均匀原位生长在正极上，金属M均匀地分散在N的过氧化物中。本发明借助于电池反应原位合成Msubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;Osubgt;z/subgt;材料，并构建自催化电池体系，表现出非常优异的性能，使充放电过程中的过电势极大降低，并且大幅度的提高了电池运行的稳定性。本发明具有自催化性能的锂空气电池制备简单，其催化活性的物质是在电池充放电过程中产生的Co掺杂的过氧化物，不需要单独制备，采用商业化的成本低廉的原料即可完成制备，具有产业上的优势。

技术领域

本发明属于领域金属空气电池以及无极催化剂材料领域，具体涉及一种具有金属空气电池自催化活性的过渡金属掺杂型化合物及其制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，现代社会迅速发展，人类对能源的需求与日俱增。而传统化石能源的大量使用导致了许多环境问题，比如温室效应、雾霾等。因此，能源问题受到了广泛的关注，在全球范围掀起研究热潮，新型绿色能源的开发和有效利用日益成为当前的研究重点和热点。据报道，汽车和轻型卡车所消耗的化石能源高达34％，是空气污染物的主要来源之一。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。此外，据统计2018年底，电化学储能规模1.073GW；2019年底为1.92GW；预计到2022年，电化学储能规模将突破10GW；2023年将接近20GW。当前5G基站能耗翻倍增长，且呈现小型化、轻型化趋势，需要能量密度更高的储能系统，对电源系统扩容升级要求。因此，金属空气电池应运而生，尤其是锂空气电池(能量密度约为11400Wh/kg)，具有接近汽油的能量密度，被视为极有潜力的一类电池体系。

虽然金属空气电池具有超高的理论比容量和能量密度，但是其充放电过程中的高过电势严重的影响了电池的循环稳定性和能量效率，很大程度的限制了它的实际应用。众多的研究成果显示，在正极中引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，性能较好的是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，而且贵金属的成本高昂，贵金属类催化剂并不能大范围的使用，因而具有很大的局限性。现在很多基于非贵金属的催化剂的报道，主要包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、大分子金属螯合物、纳米碳材料等。金属氧化物制造成本较低，但性能和贵金属催化剂还有不小的差距；其他催化剂材料品种少、制备工艺复杂、实际的制造成本可能并不低于贵金属催化剂，距离商业化大规模的生产仍有很多不足。更重要的是催化剂的引入，并不能完全解决体系中存在的固-固界面的问题以及过氧化锂本身导电性差的问题，这些依然是限制锂空气电池发展的重要瓶颈。