[发明专利]一种新型可充金属空气电池氧电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开一种新型高能量密度可充金属空气电池氧电极及其制备方法，涉及阵列气体微通道和孔碳材料构筑的三维结构电极，属于高性能化学电源及相关领域。

 

背景技术

金属空气电池是以金属为阳极、空气中的氧气为阴极的一类高效燃料电池，氧不储存在电池内部，能量密度较高，目前以锂空电池、铝空电池、锌空电池为主要代表。其中，根据                                                的反应，以锂为阳极的锂空电池的开路电压为2.91V，理论能量密度达5.21 kWh/kg（含氧气）或11.14 kWh/kg（不含氧气），性能可与汽油（12.22 kWh/kg）相媲美，被认为是电动车和高能量移动设备的理想电源。金属空气电池主要由金属阳极、电解液和氧电极构成。电池放电时，金属阳极的极化通常较低，除了阳极的安全性和电解液的副反应及反应产物稳定性外，作为阴极的氧电极往往对电池的电化学性能（如：充放电性能、库仑效率、等效串联内阻和循环稳定性等）有决定性的影响，引起了人们的高度重视。氧电极是氧发生还原反应和金属氧化物发生分解反应的场所，存在典型的气液固三相反应界面区，反应过程中不仅氧的扩散阻抗和活化极化较大，而且金属氧化物会在氧电极表面沉积并富集，阻碍甚至阻止氧离子与金属离子的接触而使电极反应终止。根据公开的文献资料报道，目前氧电极的研究主要集中在氧的电催化剂上。

为了提高氧的电催化效率和电池的可逆效率，目前可充锂空电池的氧电极采用碳担载的氧还原和金属氧化物分解的双功能催化剂（如AuPt [J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 12170]）。然而，可充锂空电池放电时金属离子与氧离子在催化剂表面生成细小粒径的Li₂O_x产物，由于这些氧化物导电性比较差，充电时很难发生分解并在氧电极析出氧，仍存在以下主要的问题：锂氧化产物沉积附着在催化剂表面而使氧不能与锂离子接近导致电极反应终止、电极极化大、放电时氧还原反应和充电时氧析出反应的动力学速度低、氧和Li⁺的扩散输运困难、充放电超电压及电压滞后（充电电压多> 4V，放电电压多在2.7V）严重、充电时电氧化效率低、循环稳定性差。虽然空气侧使用水性电解液能够解决氧化锂的附着问题[J. Power Sources, 2010,195, 358]，但是氧化锂与水反应形成氢氧化锂水溶液，不仅存在当溶液浓度高或静止时产物会析出沉淀及材料的严重腐蚀问题，而且锂空电池充电时LiOH水溶液很难转变为金属锂。另外，作为催化剂载体的碳材料的种类、形貌、导电性和孔结构对氧的电催化性能和锂氧化产物的分解性能影响非常大，电池的开路电压不仅与催化剂有关，也受产物的形成和分布影响。

因此，提高锂空电池的工作效率与循环稳定性，需要解决空气中的氧气在阴极反应室的分布与传输问题、锂氧化产物的沉积堵塞电极问题和催化剂的高效分散与电催化问题。目前还没有发现从氧电极的结构设计出发提高锂空电池电化学性能的研究报道。

 

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种由孔碳材料和中空结构阵列材料组成的三维结构可充金属空气电池的氧电极及其制备方法。该电极由气体微通道（1）、气体分布板（2）、电极集流体（3）、孔碳材料（4）、阵列材料（5）和隔膜（6）组成，其中，气体微通道（1）和气体分布板（2）可以由透氧膜替换，气体微通道（1）、气体分布板（2）和空气电极集流体（3）可以两个或三个耦合在一起，孔碳材料与阵列材料组成三维结构电极，其与催化剂及电解液构成阴极反应室。该电极具有抗金属氧化物沉积效果好、氧和金属离子扩散路径短、传质效果和离子输运特性好、电极的可利用比表面积和孔隙率高、容量高和循环稳定性好等优点，适应于长期稳定运行的高能量密度能源领域。