[发明专利]一种高性能钴颗粒修饰的氮载碳纳米片锂氧气电池正极催化剂材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种钴颗粒修饰的氮载碳纳米片锂氧气电池正极催化剂材料及其制备方法和应用。该复合电极材料为片层状，钴颗粒的粒径约为10纳米。纳米片上的孔洞大约为10纳米。钴颗粒均匀的分布在氮载碳纳米片上，这种结构充分结合了氮掺杂碳纳米片大比表面积，良好的稳定性，优异的导电性以及钴粒子的双功能催化活性的优势。采用一步热处理法合成复合材料，此制备方法工艺简便，节约成本，环境友好。由本发明制备的钴颗粒修饰的氮载碳纳米片锂氧气电池正极催化剂材料，具有很高的截电压放电比容量和优异的循环稳定性。步骤简单、操作方便、实用性强。

技术领域

本发明属于电化学和新能源领域，特别涉及一种高性能钴颗粒修饰的氮载碳纳米片锂氧气电池正极催化剂材料及其制备方法。

背景技术

锂氧气电池因具有超高的理论能量密度、优异的可逆循环性能、环境友好以及价格低廉的特点，被看作未来新型运输动力系统及大规模蓄电电源的首选供电体系。但锂氧气电池仍面临诸多问题，包括严重的极化现象、电解液的挥发及分解、有限的循环性能、较低的容量性能及金属锂负极的腐蚀等。电池性能的改善依赖于正极催化剂的选择与优化。高电导率、高活性的催化剂可以改善电池反应过程中滞后的氧还原和氧析出反应动力学，降低过电势，提高充放电效率。此外，催化剂微观形貌也会对锂氧气电池性能产生重要影响，高比表面积催化剂不仅能为氧气的自由传输和扩散提供通道，还可容纳足够的催化剂-电解液-氧气三相反应位点促使Li₂O₂在催化剂表面沉积与分解，有效地提高锂氧气电池容量并改善循环性能。

目前研究表明利用氮载碳纳米片作为载体材料分散钴纳米颗粒，充分发挥钴纳米颗粒的性能，调节复合材料孔结构和比表面积，是提高和优化催化剂性能的有效手段。如北京航空航天大学的Cao等人(Cao Y.,Lu H.,Hong Q.,et al.Co decorated N-dopedporous carbon nanofibers as a free-standing cathode for Li-O₂battery:Emphasison seamlessly continuously hierarchical 3D nano-architecture networks[J].Journal of Power Sources,2017,368:78-87.)利用静电纺丝法与热退火工艺相结合，制备了具有不同负载量金属钴的三维分层多孔碳纳米纤维，其在电流密度为100mA/g，截止电压为2-4.5V的测试条件下，首圈充放电比容量达到4583mAh/g；在电流密度为100mA/g，截止比容量为1000mAh/g的测试条件下，电池的循环寿命可以达到40次。南开大学Zhang等人(Zhang Z.,Su L.,Yang M.,et al.A composite of Co nanoparticles highlydispersed on N-rich carbon substrates:an efficient electrocatalyst for Li-O₂battery cathodes[J].Chemical Communications,2014,50:776-778.)用一种简单的凝胶-凝胶法制备了钴纳米颗粒在氮载碳基体上均匀分散的复合材料，其在电流密度为300mA/g，截止电压为2V的测试条件下，首圈放电比容量大约为5000mAh/g；在电流密度为200mA/g，截止比容量为600mAh/g的测试条件下，电池的循环寿命可以达到80次。尽管目前有关钴颗粒修饰的氮载碳的锂氧气电极材料已取到一定进展，但目前包括上述文献在内的大部分文献和专利关于钴颗粒修饰的氮载碳复合电极材料的制备方法涉及到复杂的合成步骤和使用昂贵的反应物。在这里我们提出一种高效和低成本的方法，制备了一种含钴纳米颗粒的钴颗粒修饰的氮载碳纳米片(Co@NG)，其作为一种高效的正极催化剂可以在锂氧气电池中表现出较好的循环性能和容量性能。