[发明专利]锂空气电池空气电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类可用于锂空气电池的空气电极的设计及其制备技术，属于化学电源领域。

背景技术

金属空气电池顾名思义，就是让金属单质直接与来自空气中氧发生电化学反应来提供电能。金属空气电池的能量密度之所以很高主要是由于正极反应物，即O₂，直接来自于周围的空气，不再需要贮存在电池中，减少了电池体系的总质量，提高了能量密度。而锂空气的理论容量是锌空气电池的8倍多。锂空气电池具有当今电化学电池系统最高的理论能量密度11.4kWhkg^-1，与乙醇燃料电池不相上下，并可与汽油媲美。锂空气电池既是贮能工具，又是一种燃料电池；既可以作为一次电池使用，又可以作为可充二次电池。

但是，锂空气电池的实际容量受空气电极的微结构所制约。空气电极主要由催化剂，催化剂载体，粘结剂三部分组成。电池的正极活性物质是空气中的氧，但空气中的氧不能做成电极，通常是采用多孔的载体制成电极。氧溶解在电解质中扩散到电极表面，在催化剂的作用下进行电化学还原。其中载体不参与反应，仅仅是提供了一个氧进行阴极还原的场所。常温常压下，氧在电解液中溶解很小且扩散速度也不大，因此只能靠溶解的氧进行电化学反应，氧气消耗完后就不能按照预期的速度进行。简单的全浸式多孔电极显然不能满足要求，而需要“气体扩散电极”。理想的情况便是气体扩散电极中电极表面的液膜很薄作为高效的反应区域，这种电极通常需要具有一定的孔隙率和很大的比表面积，从而形成稳定的气固液三相界面。为了保证一个大的气固液三相界面作为反应区域，要求电极的毛细管内不被电解液完全充满。对于有机电解液体系，若空气电极具有强烈的亲油性，表面张力会促使电解液淹没空气电极，不利于形成扩散电极，这样尤其是在大的电流密度下放电时，氧气的供应严重不足，欧姆极化严重，最终降低电池的循环性能。

锂空气电池的放电产物(氧化锂或过氧化锂)无法溶解于有机电解液中。随着放电过程的进行，正极反应产物会在空气电极一侧积累，沉积在空气电极的孔道结构中，主要在多孔的载体中，这样就减少了氧气传输通道，当放电达到一定程度，不溶的产物完全阻塞空气电极，隔离了电解质与氧气的接触，导致放电终止。因此载体孔道大小一定程度上决定着其比容量大小。

目前，锂空气电池空气电极中所用的载体基本为碳材料：例如夏永姚(材料化学“Chemistry of Materials”19(2007)2095-2101)等提出以介孔碳CMK-3作为催化剂载体，并认为在CMK-3中获得较大气固液三相反应界面；Yong-gang Wang等(电化学通讯“Electrochemistry Communications”11(2009)127-1130)比较了Super P，XC-72、AC、CNT以及石墨等几种碳材料分别作为锂空气电池催化剂载体时的性能，其中比表面为824m²/g的蜂窝状泡沫碳(mesocellular carbon foam)为载体时具有最高的放电比容量2500mAh/g；S.D.Beattie等(电化学协会期刊“Journal of TheElectrochemical Society”156(2009)A44-A47)提出以Ketjen black作为载体，在碳负载量为4mg时，获得3378mAh/g的高比容量，但是在负载量为12.2mg时，比容量迅速衰减为404mAh/g。可以看出，由于上述碳材料具有高的比表面积与孔容，锂空气电池的放电容量因此得到很大的提高，但是由于碳材料本身的高亲油性，不利于空气电极侧形成扩散电极，从而电池会受到氧气传输速度的限制，不能进行较大的电流放电，循环性能也会受到严重影响。因此有必要寻找新的锂空气电池催化剂载体。

综上所述，本领域缺乏一种可以使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极，本领域迫切需要开发这种可使得锂空气电池的性能大幅度提高的锂空气电极。

发明内容

本发明的第一目的在于获得性能大幅度提高的锂空气电池空气电极。

本发明的第二目的在于获得性能大幅度提高的锂空气电池。

本发明的第三目的在于获得性能大幅度提高的锂空气电池空气电极的制备方法。

在本发明的第一方面，提供了一种锂空气电池空气电极，所述空气电极包括催化剂、载体和粘结剂，所述载体为疏油性、且导电率在0.01～100S/cm之间的共轭导电聚合物材料催化剂载体。

所述疏油性是指，所述载体与锂空气电池有机电解液在室温下接触角大小为10～90°，优选30～60°。