[发明专利]一种用于可充电锂空气电池的碳化硼负载贵金属氧电极材料

说明书

(一)技术领域

本发明涉及锂空气电池氧电极材料，具体地说就是一种将催化活性高的贵金属负载在稳定的碳化硼上，将其作为可充电锂空气电池的氧电极材料，制备成为包含该材料的氧电极，以及将其应用于可充电锂空气电池。

(二)背景技术

当前电动车及便携式用电器的快速发展对化学电源提出了越来越高的性能要求，要求化学电源具有比能量高、比功率高、充放电循环性能好、安全性好等特点。拥有超高理论能量密度，且材料成本低廉、环境友好的锂空气电池成为最有前途的新一代高比能量化学电源之一。其正极反应物为氧气，在大气中资源丰富，获取成本极其低廉，可以有效地降低电池的成本。基于Li₂O₂的生成和分解反应，锂空气电池的理论能量密度可高达3600Wh/kg，其实际全包装能量密度有望达到600Wh/kg，接近汽油在内燃机中燃烧所提供的能量密度700Wh/kg。正因为在能量密度上的显著优势，锂空气电池被认为是可以替代传统锂离子电池的下一代储能系统。

目前世界许多科研单位都开展了相关研究。如IBM正在开展一项名为“Battery 500 Proiect”的为期数年的研究，希望使电动汽车单次充电的续航里程达到500英里；丰田于2008年也设立了“电池研究部”，正在积极推进锂空气电池的研究；此外美国陆军研究实验室以及美国能源部下属的实验室等研究机构也先后开展了相关研究。

锂空气电池的氧电极分为碳电极和非碳电极。碳材料的氧电极缺乏稳定性，会导致电池的容量衰减和限制了电池的循环性能。在放电过程中放电产物Li₂O₂易与碳发生副反应生成Li₂CO₃，放电过程中电解质也会生成Li₂CO₃和锂的羧酸盐。在充电过程中，Li₂CO₃和锂的羧酸盐会发生氧化分解，电压高于3.5V时碳电极也会发生电化学氧化生成CO₂，很快就会使电池的充电电压迅速升高，这种情况下会进一步加速电解质和碳正极的分解，形成恶性循环。因此，高活性、高稳定性的氧电极材料的研发变得至关重要。

(三)发明内容

本发明的目的是提供了一种用于可充电锂空气电池的碳化硼负载贵金属的氧电极材料的制备，以及将其应用与可充电锂空气电池。

本发明提供的一种碳化硼负载贵金属的锂空气电池氧电极材料的制备方法中，首先将贵金属(可为Pt，Ru，Au，Rh等)氯化物、碳化硼、柠檬酸钠、溶剂以一定比例混合并进行搅拌，在搅拌过程中，搅拌时间为10～15小时，搅拌的温度为50～70℃，转速为300～600rpm，用5～10(wt)％KOH的乙二醇溶液调节PH值，使得PH值为9～14。然后将前驱体溶液转移到水热反应釜中，放在烘箱中，进行水热合成反应。

本发明提供的一种碳化硼负载贵金属的锂空气电池氧电极材料的制备方法中，采用水热合成法制备催化剂粉体，加热温度为120～180℃，加热10～15小时。待冷却后调节PH值。

本发明提供的一种碳化硼负载贵金属的锂空气电池氧电极材料的制备方法中，调节PH值使用5～15％的硝酸溶液，使得溶液的PH值为3～5，然后用乙二醇、去离子水和异丙醇洗涤、过滤、离心、干燥得到粉体。

本发明提供的一种将催化活性高的贵金属负载在稳定的碳化硼上，将其作为可充电锂空气电池的氧电极材料，并制备成为包含该材料的氧电极，具体制备方法为：将催化剂粉体和粘结剂以6∶4～9∶1的比例在研钵中研磨混合均匀得到浆料，然后用均匀涂覆在氧电极集流体基底表面，在真空干燥箱中60～90℃下干燥6～10小时，即得到氧电极。

本发明提供的一种碳化硼负载贵金属的锂空气电池氧电极材料制备方法中，制备正极浆料时，采用的粘结剂为PTFE、PVDF等有机粘结剂。

本发明提供的一种碳化硼上负载贵金属的锂空气电池正极催化剂的制备方法中，制备正极材料时，采用的氧电极集流体基底可为碳纸、镍网、不锈钢网、泡沫镍等。

本发明提供的一种碳化硼上负载贵金属的锂空气电池氧电极材料的制备方法与应用中，具体应用表现为组装扣式可充电锂空气电池。锂空气电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，手套箱中H₂O和O₂含量都小于0.1ppm，具体电池组成为正极壳、正极片、电解液、隔膜、垫片、弹片、锂片(负极)和负极壳。