[发明专利]一种基于氧化石墨烯-碳纸气体催化电极的锂-空气电池

说明书

技术领域

本发明提供了一种锂-空气电池，尤其涉及一种基于氧化石墨烯-碳纸气体催化电极 的锂-空气电池，属于锂-空气电池及其制备技术。

背景技术

锂-空气电池是一种以金属锂为负极，空气为正极的二次电池。它具有与锂离子电 池完全不同的设计，其理论比能量为11140Wh/kg(不包括氧气质量)，接近汽油的理论比 能量值13000Wh/kg。即使考虑氧气的质量，其比能量也是普通锂离子电池的十倍 (5210Wh/kg)。1996年，美国马赛诸塞州EIC实验室Abraham博士首次报道了这种新 型聚合物电解质体系的锂-空气电池，获得1400Ah/kg的放电比容量，接近于汽油实际 可利用比能量1700Wh/kg。该成果在世界范围内得到广泛的认可，从而引发了将其开发 成汽车动力电池的研究热潮。锂-空气电池是金属/空气电池的一种，又叫做半燃料电池， 是消耗Li的燃料电池，也是正极活性物质为氧气的锂电池。它与锂离子电池和燃料电 池有相似之处，也有不同之处。与燃料电池相比，锂-空气电池用金属锂替代氢气，因 此不用考虑氢气的储存问题，而且锂-空气电池可实现充/放循环，是一种方便的储能电 池；与锂离子电池相比，锂-空气电池可以直接从空气中获取正极活性物质--氧气，而 不需将其储存在电池系统内，大幅减轻了电池体系的重量，因此，理论上可实现大容量 储能的锂-空气电池的巨大发展价值受到广泛关注。

虽然锂-空气电池展现出很好的应用前景，但是实际上性能受各种因素限制，其能 量转换效率距离理论上可到达值相差甚远。目前，锂-空气电池的负极采用金属锂片， 为防止金属锂钝化，通常使用较为成熟的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二 甲酯(DMC)混合溶剂配置而成的1mol/dm³LiPF₆EC/EMC/DMC(质量比1:1:1)非水电解 液(尽管水性电解质和固态电解质也在研究中)，空气电极由(碳粉/催化剂/黏结剂)的 混合浆料涂覆在泡沫镍上构成。在隔绝空气的环境中组装成电池：

(-)锂片|有机电解液-隔膜|气体扩散电极(+)

非水体系的锂-空气电池中，电池放电时负极锂片氧化产生的Li⁺通过电解液迁移到 正极，与氧气还原产生的过氧离子(或进一步反应产生的氧离子O^2-)形成锂的氧化 物。而充电过程与放电过程相反，充电时锂的氧化物分解产生氧气和锂离子。放电产物 Li₂O₂的生成不需要O-O键的断裂，因此反应不需要很高的活化能，在不使用催化剂的 条件下也能顺利进行，见附图1。而充电过程是将形成的锂的氧化物分解，锂的氧化物 是离子晶体，将其分解需要较高的活化能，而且当有电解液或粘结剂分解造成放电产物 变为碳酸锂或含锂的有机物时，充电所需的活化能更高，因此充电过程中析氧催化剂的 使用必不可少。相关证据显示，放电产物Li₂O₂或Li₂O在非水电解液中不溶解，经过一 次放电后，电极的空气一侧有大量放电产物无序堆积，而隔膜一侧则基本上没有放电产 物，从而造成氧气传输通道堵塞，致使放电终止。而且，固态的Li₂O₂或Li₂O离子晶体 几乎是绝缘体，一旦生成并无序堆积而造成电极导电性破坏，使充电无法进行。可见实 现电池反应产物在正极的有序化分布，保证充电过程中电极导电性不间断，加速或 O^2-→O²的转化速率，是有机电解液系锂-空气电池正极必须解决的关键问题，这也是近 些年来人们不懈地在新型碳材料研究、多功能高效催化剂研究、电极空间结构设计与尝 试等方面展开大规模探索的目标。

发明内容

本发明提供了一种基于氧化石墨烯-碳纸气体催化电极的锂-空气电池，该电池比现 有的锂-空气电池具有更高的容量和充放循环性能；本发明还提供了一种电泳-电解沉积 法制备氧化石墨烯-碳纸电极的方法。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：