[发明专利]一种锂·空气或锂氧电池正极用多孔碳材料

说明书

技术领域

本发明属于锂-空气或锂氧电池领域，具体涉及电池用正极碳材料。

背景技术

随着电子、通信设备以及电动车的迅速发展，人们对电池性能提出更高要求。锂-空气（氧）电池是一种以金属锂为负极，空气（氧）电极为正极的二次电池。作为负极材料的金属锂具有最低的理论电压，其理论比容量高达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（氧）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，而实际比能量也远高于锂离子电池，在民用及军用领域极具应用前景。

目前，锂-空气（氧）电池主要采用各种碳材料作为正极材料，通过混入PTFE，PVDF，Nafion等粘结剂制备空气电极。如图1所示，为锂-空气电池正极放电反应过程模拟图。放电反应在液体电解质溶液与碳材料之间构建的固液两相界面上进行，碳材料表面生成固体不溶产物—锂氧化物，随着反应进行，固体产物积累使内部孔道堵塞继而造成放电终止。

作为电化学反应发生的场所，碳材料孔结构物性参数如：比表面积、孔容、孔径分布对电池性能，尤其是充放电容量具有重要的影响。因此制备及选用具有合适孔结构的碳材料，使其利于电解液与空气在多孔结构内的传输，从而加快电极反应速率以及增加孔的有效利用，对于空气电极至关重要。

如何构造合适孔结构的碳材料以提高锂-空气（氧）电池的放电比容量、放电平台是目前亟待解决的难题。目前研究认为，具有高孔容的多孔碳可以为放电过程中生成的锂氧化物提供更多的储存空间，从而表现出高的比容量。此外，孔径分布也是影响电池性能的重要因素。Tran等人在Journal of Power Sources，2010，195(7):2057-2063发表了等研究了一系列高比表面积多孔碳的孔径分布与容量之间的关系，电极的容量由不会影响物质传输的大尺寸孔道内锂氧化物的量所决定。碳材料微孔孔道与部分中孔孔道会被放电起始阶段所形成的锂氧化物堵塞，这部分孔的表面将无法再次通过空气与电解液，因此不再参与电化学反应，造成放电终止。然而，完全由大孔尺寸构成的碳材料在放电过程中，由于锂氧化物导电性差，放电产物在孔壁上的堆积厚度有限，大孔的中心部分得不到利用，也不能充分发挥孔的利用空间。

另外，氮掺杂的碳材料在燃料电池中已表现出优异的氧还原活性，可部分替代贵金属P t/C催化剂。研究显示掺杂氮原子改变了纳米碳材料的微观结构和表面电子态，通过N-O或者C-O“双址（dual site）吸附”，可削弱氧分子中的O-O键，利于发生还原反应。

目前有关氮掺杂的碳纳米管（Electrochemistry Communications，2011，13(7):668-672.）、氮掺杂的石墨烯材料（Journal of Power Sources，2011，196(6):3310-3316.）在锂-空气电池中的应用有少量报道，结果显示氮掺杂可造成碳边缘缺陷，有效地增加这部分活性位暴露，以促进氧还原反应，有效提高锂-空气电池的放电容量及放电电压。但上述材料由于其制备方法复杂，成本较高，且实验条件要求较高，不利于大规模商业化制备应用，仍不能满足锂空气电池对材料的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂-空气或锂氧气电池用电极碳材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂-空气电池正极用多孔碳材料，所述碳材料颗粒粒径为1-30um，颗粒本身呈由碳片层构成的类蜂窝状多孔结构，孔容为0.5～5cm3/g，其内部包括二种孔，其中一种是由碳片层作为孔壁而构成的交错贯通孔，另一种孔是均匀分布于孔壁内的孔；交错贯通孔主要为二类孔径范围分别为5～90nm和100～500nm的孔，二者占贯通孔孔体积的80%以上，二者孔体积比例为1:10～10：1，碳片层厚度为2-50nm；孔壁内的孔主要为孔径范围为1～10nm的孔，占孔壁内孔体积的90%以上。

所述碳材料采用模板法结合气体活化法、模板法结合催化活化法或模板法结合发泡法制备而成。

优选模板法结合气体活化法、模板法结合催化活化法。

具体制备方法如下：

A模板法结合气体活化法