[发明专利]一种锂-空气电池用正极及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂-空气电池或锂-氧气电池领域的正极，特指其电极材料构成。

背景技术

锂-空气电池是一种以金属锂为负极，空气电极为正极的可充式二次电池，负极锂理论比容量高达3,862mAh/g，而作为正极活性物质的氧气可直接从空气中获得，因此，锂-空气电池具有极高的比容量及比能量。以锂为标准，其理论比能量密度可达11,140Wh/Kg，以全电池为标准，其实际比能量密度有望达到现有锂离子电池的10倍，在民用及军用领域极具应用前景。未来商业化的纯电动车要求动力电池的比能量在500Wh/kg以上，科学家把锂空气电池作为未来电动汽车的动力电池之一。

锂-空气电池放电过程中，在正极侧，由负极侧迁移而至的锂离子在电极材料表面与扩散而至的氧气复合生成产物Li₂O₂或者Li₂O。固体Li₂O₂或者Li₂O不溶于电解质溶液，不能脱离材料表面，从而在此沉积直至堵塞电极孔道，导致放电反应终止。作为反应物的氧气为了参与放电反应，必须通过在电极孔道中的扩散传质到达整个电极空间中的电极材料表面。对于氧气进气口一侧的电极，所需氧气传输距离短，而另外一侧传输距离远，传质阻力较大。需要特别指出的是，随着放电的进行，电极孔道逐渐被不溶产物堆积占据，这将进一步增大氧气传质阻力。因此，受限于较差的反应物传质状况，通常远离氧气进气口一侧的电极内放电反应进行不充分，电极空间利用率较低。另一方面，为了提高锂空气电池的实用性，大电流放电性能也是需要考虑的问题，而这同样对电极空间内的氧气传质提出较高的要求。

因此，为了提高锂空气电池电极材料比容量及倍率放电性能，需要在电极内构建通畅的氧气传质通道。如Hun-GiJung等人[NatChem:2012,4(7):579-585]碳粉刮涂于碳纤维交织构成的碳纸基底层之上，依靠碳纤维构建的三维贯通网络确保氧气在电极空间内的传质，结果表明碳材料的比容量得到较大的提高。然而碳纸的引入增大了电极材料的实际质量，另一方面，随着放电的进行，部分由碳纤维构建的孔道仍然会被放电产物堵塞，降低了传质效果。

放电过程中传质通道的阻塞，原因在于这部分孔道会沉积放电产物，而导致这一现象的根本原因在于，构建孔道的材料为电子导体，因此在其表面能够进行电化学反应，从而生成固体产物。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种锂空气电池用正极及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，

本发明所述的电极，其电极材料主要由导电多孔材料和构建孔道的绝缘材料构成，二者质量之比为5:1-1:1。绝缘材料为筑孔无机材料或筑孔有机材料；绝缘材料用于正极成型时参与构建正极中气体传输孔道；即于正极成型时，绝缘材料和导电多孔材料共同构建正极中气体传输孔道。

所述的正极或者由导电多孔材料、筑孔无机材料和粘结剂组成，其中导电多孔材料与无机材料质量之比为5:1-1:1，粘结剂在电极中所占质量分数为10-30%；

或者，由导电多孔材料和筑孔有机材料组成，其中导电多孔材料与筑孔有机材料质量之比为5:1-1:1；

或者，由导电多孔材料、筑孔有机材料和粘结剂组成，其中导电多孔材料与筑孔有机材料质量之比为5:1-1:1，粘结剂在电极中所占质量分数为10-30%；

所述的导电多孔材料由多孔碳材料或者多孔碳材料与催化组分的复合物构成，其中催化组分的质量分数为3%-50%。所述碳材料为粉体炭黑，介孔炭黑或线状碳纳米材料，包括KB600、KB300、BP2000、XC-72、Acetylene black、Alkaline-activated carbon、碳气凝胶或碳干凝胶、二氧化碳活化碳、介孔碳中、碳纳米管、碳纳米纤维中的一种或多种；所述催化组分为氮、硼、金属X或金属X的氧化物中的一种或多种，其中X包括Pt、Au、Pd、Mn、Zr、Co、Cr、Fe、Ni、Cu、Ir、Ru、Rh、Os、Ti、Sn、V、Mo、Se中的一种或多种。

所述的筑孔无机材料为粒径为30nm-5um的无机纳米粉体，或孔径在10nm-1um的无机介孔分子筛材料，包括碳酸钙、碳酸钠、碳酸镁、硫酸钙、硫酸镁、硫酸钡、二氧化硅、氧化钛、氧化钙或氧化铝中的一种或多种。

所述的筑孔有机材料由聚砜、聚酮、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚丁二烯或醋酸纤维素中的一种或多种制备而成。