[发明专利]多层石墨的制备方法和应用该多层石墨制备锂空气电池阴极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于锂空气电池阴极的石墨材料的制备方法。

背景技术

锂/空气电池是一种用金属锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，因此其理论上比能量为11140W h/kg(不包括氧气)，或5210W h/kg(包括氧气)。但目前其实际比能量较低，循环性能差，其主要问题在于在放电过程中阴极放电产物“锂氧化物”会堆积在阴极表面或碳材料的孔内，堵塞输氧通道，造成放电中断。因此，阴极材料的研发和制备至关重要。

目前制备锂空气电池阴极电极选用的材料多为碳材料，不同孔径和结构的碳材料如Super P，介孔碳，Norit炭黑，m-30碳，石墨，石墨烯等。Xin-hui Yang等人在2009年《Electrochemistry Communications》中“Preparation of mesocellular carbon foam and its application for lithium/oxygen battery.Electrochemistry Communications”记载了现有的阴极碳材料的比容量、表面积和孔径对比(放电电流密度为0.1mA·cm^-2)如表1所示；

表1

由表1中的数据可知super-P表面积为62m²·g^-1，孔径为50nm，比容量达到了1736mAh·g^-1，而活性炭表面积高达2100m²·g^-1，比容量却仅为414mAh·g^-1，MCF-C表面积为824m²·g^-1，放电比容量为2500mAh·g^-1，从此可知放电的比容量主要与碳材料的孔径呈现出正相关关系。

综上碳材料做锂空气电池阴极，应具备如下三个特征：①合适的孔径大小和粒子尺度能够使气态氧自由通过，且可以容纳较多的放电产物（锂氧化物），维持放电的进行；②较好的电导性；③较高的比表面积，并且具有氧还原活性的比表面积。

发明内容

本发明的目的是解决现有石墨材料的孔容积低和以石墨材料作为锂空气电池阴极的放电比容量低的问题，而提供多层石墨的制备方法和应用该多层石墨制备锂空气电池阴极的方法。

本发明多层石墨的制备方法按下列步骤实现：

一、按质量比为1.0︰（0.20～0.30）︰（3.5～4.5）︰（1.0～2.0）称取石墨、高锰酸钾、浓硫酸和乙酸作为原料；

二、将原料中的浓硫酸与乙酸混合均匀，加入高锰酸钾溶解后再加入石墨，搅拌条件下反应20～40min，反应得到的固相物经水洗，抽滤后在60～90℃的温度下烘干2～4h，然后再置于600～1000℃高温惰性气体保护下的瓷坩埚中膨胀5～20s，在膨胀过程中瓷坩埚不断翻转，得到膨胀石墨；

三、将步骤二得到的膨胀石墨分散于无水乙醇溶剂中，超声分散2～4h，然后在60～90℃温度下烘干得到多层石墨。

本发明步骤二得到的膨胀石墨的膨胀体积可达700ml/g，最终制备的多层石墨的孔容积可达98%以上，且孔结构以大孔为主,孔径分布范围为1～103nm，保证气态氧的通过或放电产物的容纳。

本发明应用多层石墨制备锂空气电池阴极的方法按下列步骤实现：

一、将粘结剂PVDF加入到有机溶剂NMP中，配成溶液A，然后向溶液A中加入多层石墨超声分散1～5h后搅拌成膏状，得到膏状浆料；

二、将步骤一得到的膏状浆料均匀涂在集流体上，然后置于真空干燥箱中以100～120℃的温度干燥4～8h，取出后使用铳片机铳成圆形极片；

三、将圆形极片用压片机以5MPa的压力压制成型，得到锂空气电池阴极。

本发明以多层石墨制备锂空气电池阴极，具有比表面大，孔容积大，通气透过性好，制备方法简单、成本低等优点，应用多层石墨制备得到的锂空气电池阴极材料的比容量超过6000mAh/g，远超过石墨烯等其他碳材料，而且成本远低于石墨烯。

附图说明

图1为实施例一得到的多层石墨放大2000倍的扫描电镜图；

图2为实施例一得到的多层石墨放大2200倍的扫描电镜图；

图3为实施例二应用多层石墨为阴极的锂空气电池放电曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式多层石墨的制备方法按下列步骤实施：