[发明专利]锂-二氧化碳电池用正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂‑二氧化碳电池用正极材料及其制备方法和应用，该正极材料为碳包覆金属纳米粒子和三维自支撑碳材料形成的复合物，所述碳包覆金属纳米粒子占复合物的总质量为10‑50wt％。本发明的优点是：1)本发明利用废弃、廉价的生物质为原材料，避免碳纸、碳布、泡沫镍、石墨烯泡沫或电纺纤维膜等载体的使用，可极大地降低电池生产成本；(2)本发明工艺简单，合成简便，极易实现规模化应用等。

技术领域

本发明属于无机纳米材料及新能源材料领域，涉及可充电锂二次电池，涉及一种锂-二氧化碳电池用正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于环境污染和能源危机的日益严峻，绿色新能源的开发和利用是目前的研究热点，锂-二氧化碳电池(Li-CO₂batteries)是通过负极的Li与正极的CO₂之间发生氧化还原反应来产生电能，由于正极活性物质来自周围的空气，不需要存储在电池里面，其理论比能量密度可以达到1000Wh kg^-1以上，因此，Li-CO₂电池被认为是开发和利用可再生清洁能源的有力技术，在住宅能量存储、电动汽车驱动、矿山电力设备和智能电网等领域具备广阔的应用前景。此外，Li-CO₂电池在放电过程中，可将空气中的CO₂还原固定，特别是发电厂或工业过程中产生的高浓度CO₂，而生成的C和LiCO₃可用作燃料和化工原料，被认为是一种极具前景的新型碳捕集技术(Li X et al.，Chinese Journal of Catalysis，2016，37，1016-24)。

然而，有机电解液系Li-CO₂电池离实际应用还有较大差距，①正极材料催化效率较低，在充放电过程中，存在较大的过电位，可能导致电解液和粘结剂的分解，造成电池性能迅速衰减(Zhang Z et al.，Angewandte Chemie-International Edition，2015，54，6550-6553)；②放电产物(C和LiCO₃)不溶于电解液，会沉积于空气电极的孔道，导致气体传输通道堵塞、电极极化和阻抗增大，造成电池过早失效(Liu Y et al.，Energy&Environmental Science，2014，7，677-681)。为了解决这些问题，当前的研究主要集中在对正极材料的改性，以期降低充放电过电位及改善电池循环性能。

Zhang等首次将CNTs应用于Li-CO₂电池，在放电电流密度为50mA g^-1时，其放电容量可以达到8500mAh g^-1，过电位仅为0.13V。作者认为：碳纳米管堆积形成的三维多级孔结构，既为Li₂CO₃的沉积提供良好的储存空间，也为CO₂与电解液的传输和渗透提供了快速通道(Zhang X et al.，Chemical Communications.2015；51:14636-9)。Zhang等人发现单晶结构的介孔NiO纳米片可以有效地分解Li₂CO₃(Zhang Z et al.，Advanced Science,2018，5，1700567J)。

Li-CO₂电池的正极通常是将导电剂(碳材料)、催化剂和粘结剂直接混合制成浆料，涂覆在碳纸或泡沫镍等基体上制备的多孔气体电极。多孔气体电极中的碳材料是反应产物的重要支撑载体，其比表面积、孔结构和微观形态是决定产物承载量的重要因素，也在很大程度上决定了Li-CO₂电池的放电容量。因此，设计高孔隙率和高催化活性的正极材料是实现Li-CO₂电池商业化的有效方案。

发明内容