[发明专利]锂空气电池改性非碳正极及其制备方法和锂空气电池

说明书

本发明公开了一种锂空气电池改性非碳正极及其制备方法和锂空气电池。所述锂空气电池改性非碳正极的制备方法包括以下步骤：将泡沫镍集流体进行预处理；将经所述预处理后的所述泡沫镍集流体置于含钴盐的水溶液中进行水热反应，在所述泡沫镍集流体表面生长碱式碳酸钴前驱体；将生长的所述碱式碳酸钴前驱体进行洗涤和干燥处理后，进行煅烧处理，在所述泡沫镍集流体表面生长Co₃O₄；将生长有所述Co₃O₄的所述泡沫镍集流体于还原气氛中进行热还原处理，即得改性氧化钴复合泡沫镍非碳正极。所述制备方法制备的锂空气电池改性非碳正极具有良好的导电性和催化活性，赋予锂空气电池良好的稳定性及循环性能，而且使用寿命长。

技术领域

本发明属于电化学能源领域，具体涉及一种锂空气电池非碳正极及其制备方法和锂空气电池。

背景技术

随着工业化生产和科技高速发展，人类对于能源的需求越来越大，能源在人们生活中扮演着日趋重要的角色。能源和环境是二十一世纪最重要的两大问题，全球对能源的需求在快速以及持续的增加。能源的短缺将成为一个日趋严峻的问题。现今，新型高能电池的研究热潮席卷全球，近几年，全球的锂离子电池的总产量飞速增长其中，动力电池占比巨大。就中国市场而言，新能源汽车销量剧增。

虽然新能源汽车的市场如此火热，但是生产的电动汽车单次充电行驶距离始终无法达到燃油汽车的行驶里程，即便使用的锂离子电池达到其理论能量密度，也难以满足未来电池储能的发展需求。因此，则迫切需要研发一种具有更高比能量的新型高能电池。

锂空气电池技术作为后锂离子时代的一种新型电池技术,具有5200W·h/kg的超高能量密度(考虑锂片和氧气的质量)，是锂离子电池体系(150W·h/kg)的数十倍，预计可驱动电动汽车行驶500km以上，接近汽油燃料汽车的行驶能力。锂空气电池虽然很有前景，但是在实际应用中受到许多障碍的限制。目前，非水系锂空气电池面临的问题有主要几点：

1.负极锂片的保护和反应过程的锂枝晶的问题；2.有机电解液对放电产物Li₂O₂和放电中间产物LiO₂的不稳定性；3.正极由于放电产物不导电从而导致的充放电循环期间氧还原(ORR)和氧析出(OER)的内在迟滞的动力学问题。其中，关于空气电极的动力学问题，目前比较有效的方法是多孔正极结构的优化和催化剂的选用。

目前国内外锂空气电池正极主要以碳基正极为主，碳基由于其高导电性，高比表面积等优点被广泛运用，这类锂空气电池在放电容量能上很大的优势，但由于碳材料容易在反应过程中与锂离子反应生成一下副产物从而影响正常反应的进行。碳基正极存在以下几个问题：

1.碳材料的不稳定性，碳材料在电压3.5V以上容易分解；2.碳材料在电池的充放电过程中会参与反应而生成不必要的一些副产物影响整个电池的寿命；3.碳基正极中使用的粘结剂不稳定性和不导电的性质。由于以上问题使得锂空气电池的库伦效率低并且循环性能差使用寿命短。

为了避免碳基正极带来的以上问题，研究人员通过开发一种非碳正极有效的避免了碳材料和粘结剂的使用，减少了不必要的副产物。通过采用金属基底代替传统的碳基基底，并采用过渡金属氧化物作为催化剂结合得到一种非碳的锂空气正极。目前采用的金属基底主要是泡沫镍、泡沫铜、镍网、铜网等，由于其高导电性和多孔结构及稳定的性质被广泛运用于锂空气电池的基底。过渡金属氧化物因其价格低廉易得，并且有较好的催化活性广泛应用于锂空气电池正极催化剂中。然后在实际应用中发现，现有的过渡金属氧化物虽然具有良好的催化性和一定的导电性，但是导电性有限，而且反应的活化能较高，从而导致当前锂空气电池的稳定性及循环性能不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂空气电池改性非碳正极及其制备方法，以解决现有锂空气电池非碳正极所含催化剂导电性和反应的活化能较高的技术问题。