[发明专利]一种高效锂空气电池空气电极炭材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，特别涉及锂空气电池领域，具体涉及一种空气电极炭材料。

背景技术

锂空气电池是理论能量密度最高的储能装置，是化学电源的发展方向。它的正极活性材料是氧气，直接来自于空气，取之不尽用之不竭，即使是大规模使用也不会出现资源危机问题；负极活性材料是金属锂，容量最高，可以达到3.81Ahg^-1，反应电位仅略高于钙金属体系。因此，锂空气电池有可能实现1000Whkg^-1以上的器件能量密度，与汽油接近。在此能量密度下，电动汽车续航里程可以达到600公里以上。此外，由于没有使用贵金属，电池成本有可能远低于锂离子电池。因此，锂空气电池有望成为电动汽车最终的动力之源。

锂空气电池的工作原理是：以金属锂为负极，以炭材料组成的多孔电极(即空气电极)为正极，放电时，金属锂在负极失去电子成为锂离子，通过电解质传输到多孔正极，同时电子通过外电路到达多孔电极，使氧气被还原后与Li⁺结合生成放电产物，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量；充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔电极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。

空气电极即气体扩散电极是影响锂空气电池性能的关键因素，其内部的形貌、比表面积、电极的厚度以及导电性等因素对电池的放电容量有很大的影响。炭材料在空气电极中既充当电化学反应界面又为放电产物提供储存空间，因此炭材料的选择与优化成为提高锂空气电池电化学性能的关键。

将少量的氮原子掺杂到电极材料中，掺杂材料可以表现出更好的性能。目前，氮掺杂炭材料在燃料电池中已经有较多应用，但材料多为点状沉积或岛状沉积，这种结构并不适合于锂空气电池。本领域尚需提供一种新型的适用于锂空气电池的氮掺杂材料，提高锂空气电池电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂的用于锂空气电池空气电极炭材料。

本发明的第一方面，提供一种用于锂空气电池的空气电极炭材料，所述空气电极炭材料为复合结构，包括：

支撑层炭材料；和

催化层炭材料，全部或部分覆盖所述支撑层炭材料。

在另一优选例中，所述催化层炭材料的厚度为2～100nm。

在另一优选例中，所述的支撑层炭材料的比表面积为40～4000m²/g，所述的支撑层炭材料选自零维炭颗粒、一维炭纳米管/碳纤维、二维石墨烯、三维多孔炭材料中的任意一种或两种以上的组合。

在另一优选例中，所述的催化层炭材料是厚度为2～100nm的含氮炭材料，任选地，所述含氮炭材料还掺杂有Fe、Co、Mn、Ni或其组合。

在另一优选例中，所述的催化层炭材料是厚度为2～10nm的含氮炭材料。

在另一优选例中，所述含氮碳材料中氮掺杂量为1～10%（原子百分比）。

在另一优选例中，所述含氮碳材料中氮掺杂量为1～5%（原子百分比）。

本发明的第二方面，提供第一方面所述的空气电极炭材料的制备方法，所述方法包括步骤：

(i)在所述支撑层炭材料表面加入含氮前驱体，使其在所述支撑层炭材料表面发生聚合反应；

(ii)所述聚合反应结束后，进行高温碳化处理获得所述空气电极炭材料；

或所述方法包括步骤：

(i’)将所述支撑层炭材料与含氮前驱体充分混合得到混合材料；

(ii’)对步骤i’)获得的所述混合材料进行高温碳化处理获得所述空气电极炭材料。

在另一优选例中，所述步骤(i’)将所述支撑层炭材料与含氮前驱体以研磨、球磨等方式充分混合得到混合材料

在另一优选例中，所述含氮前驱体选自：苯胺、吡咯、吡啶、咪唑、哌啶、1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐、N-丁基-4-甲基吡啶硝酸盐等含氮化合物。

在另一优选例中，所述含氮前驱体的质量与所述支撑层炭材料的质量之比为20:1～1:20。较佳地，所述含氮前驱体的质量与所述支撑层炭材料的质量之比为0.05-10:1。

在另一优选例中，所述含氮前驱体的质量与所述支撑层炭材料的质量之比为10:1～1:20。

在另一优选例中，所述的高温碳化处理是指在500～900℃温度下烧结2～10小时，处理气氛为氮气、氩气或氩氢混合气。