[发明专利]多级孔道结构的纳米管状锂空气电池空气电极催化剂

说明书

技术领域

本发明属于锂空气电池电极材料开发领域，尤其涉及一种具有多级孔道结 构的纳米管状锂空气电池空气电极催化剂及制备方法。

背景技术

锂空气电池具有较高的理论比能量，当使用有机电解质时，其理论比能量 可以达到3622Wh/kg，可以达到目前广泛应用的锂离子电池的几十倍，几乎与 燃油的水平相当，远高于目前磷酸铁锂锂离子电池120Wh/kg的水平。此外， 锂空气电池采用空气中的氧气作为活性物质，降低了成本，对环境友好，在电 动汽车及储能等领域具有广阔的应用潜力。但是，在实际应用中，锂空气电池 存在充电极化大、充放电效率低、循环寿命短、倍率性能差的问题。针对锂空 气电池中的空气电极，如何获得对氧还原/析出反应具有有效催化作用的催化 剂，从而提高电池的性能，一直是研究者们不断研究的方向。氧电极的还原/ 析出反应同时涉及到气—液—固三相反应界面，如何增加三相界面长度，是提 高催化剂性能的关键。此外，研究表明，基于有机电解液体系的锂空气电池， 其电池化学反应的核心是Li₂O₂的可逆生成和分解。由于Li₂O₂导电性很差，电 极内必须有足够的空间以容纳放电产物Li₂O₂，防止由于Li₂O₂将电极完全包覆 而造成放电终止。

基于以上的分析，锂空气电池空气电极催化剂的微观结构，必须同时满足 如下两方面的要求：(1)具有高的比表面积，以提供充足的反应活性位点，提 高催化剂的催化活性；(2)具有较高的孔隙率和足够的孔径，从而能够容纳更 多的反应产物Li₂O₂，延长电池的循环寿命。通过改变空气电极的微观结构来提 高催化剂的活性，研究者们在这方面已经进行了一些尝试。如通过软模板法、 硬模板法、水热法等方法制备了具有纳米管、纳米棒、纳米中空球等结构的空 气电极催化剂。实验证实，空气电极内部的形貌、孔径、孔体积、比表面积、 电极厚度等因素对电池的放电性能有很大的影响，但是现有的尝试仍然存在不 足。目前，所制备的锂空气电池空气电极催化剂只有单一级别的孔道结构，并 不能满足空气电极氧还原/析出反应的需求；另一方面，软模板法、硬模板法、 水热法等合成方法制备步骤繁多、过程复杂、成本高且不易于实现批量生产。 静电纺丝法制备过程简单、操作步骤少，且能够实现连续大量生产，易于实现 产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂空气电池空气电极催化剂的制备方法，旨在 解决现有锂空气电池空气电极催化剂性能不高、锂空气电池空气电极性能不足、 进而使得锂空气电池存在充电极化大、充放电效率低、循环寿命短、倍率性能 差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种锂空气电池空气电极催化剂。

本发明的另一目的在于提供一种锂空气电池空气电极。

本发明的再一目的在于提供一种锂空气电池。

本发明是这样实现的，一种锂空气电池空气电极催化剂的制备方法，包括 以下步骤：

提供金属硝酸盐M(NO₃)_x和聚乙烯吡咯烷酮，将所述金属硝酸盐和所述聚 乙烯吡咯烷酮溶于有机溶剂中混合处理得到前驱体溶液；

将所述前驱体溶液进行静电纺丝处理，收集得到的纳米纤维，其中，所述 静电纺丝处理的电压为10-30KV，且收集所述纳米纤维的收集板与喷丝头尖的 距离为10-30cm；

将所述纳米纤维依次进行真空干燥、煅烧处理，得到具有多级孔道结构的 纳米管状锂空气电池空气电极催化剂。

以及，一种锂空气电池空气电极催化剂，所述锂空气电池空气电极催化剂 由上述锂空气电池空气电极催化剂的制备方法制备获得，且所述锂空气电池空 气电极催化剂为具有多级孔道结构的纳米管状锂空气电池空气电极催化剂。

以及，一种锂空气电池空气电极，所述锂空气电池空气电极由复合浆料涂 敷在集流体上制成，所述复合浆料包括碳导电剂、聚偏氟乙烯、如上述锂空气 电池空气电极催化剂和溶剂，其中，所述空气电极催化剂、碳导电剂、聚偏氟 乙烯的重量比为(0.8-1.2)：(1.5-2.5)：(0.4-0.6)。

相应的，一种锂空气电池，包括上述的锂空气电池空气电极。