[发明专利]一种高效稳定的锌空气电池用双功能电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锌空气电池用双功能电极材料及其制备方法和应用。所述电极材料为一种负载Co@Co_xS_y(x≥0，y≥0)纳米颗粒的纳米碳纤维多孔材料，其表面的多孔性和活性位点与碳载体之间的协同作用在可充式锌空气电池当中大大提高了能量的利用和转换效率，使其同时具备了放电功能和充电功能。本发明制备的Co@Co_xS_y/NC纳米纤维，原材料易获取、且价格低廉，制备工艺简单方便，并且化学稳定性好。所述Co@Co_xS_y/NC纳米纤维中Co@Co_xS_y纳米颗粒粒径较为均匀，并能够均匀地分布在碳纳米纤维表面，所制得的Co@Co_xS_y/NC纳米纤维具有优越的电化学性能，在碱性环境中的氧还原催化反应基本为4电子反应，促进锌空气电池中ORR反应。

技术领域

本发明涉及电化学能源技术领域，公开了一种双功能空气电极材料及其制备和应用。

背景技术

随着全球经济的增长，能源和环境问题已成为全球性关注的两大焦点问题。为了解决能源危机和缓解环境污染的压力，寻求可持续的、清洁高效的新能源体系迫在眉睫。

锌空气电池作为一种比能量高、容量大、性能稳定、低污染、安全可靠的新型化学储能电源，已成为当今世界能源领域的开发热点，展现出巨大的市场前景。锌空气电池由于可以长时间提供稳点的小电流，被广泛应用于航海中的航标灯、无人观测站、无线电中继站等。锌空气电池同时也作为手机电池，比普通使用的镍氢电池、锂离子电池价格低廉，安全及续航时间长。但是，至今报道的锌空气电池放电电流密度偏小，循环寿命较低，限制了其广泛应用领域及相关产业进一步发展。

导致这种困境的的关键因素是缺乏长寿命的双功能空气电极，其主要难点是反应过程中氧还原及析氧过程中动力学缓慢，因此，发展高效稳定的双功能氧反应电极材料至关重要，不仅能提高锌空气电池的充放电效率，而且减少能量损耗，并使其能够真正广泛应用，同时也是当前国家新能源战略计划重要课题之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种锌空气电池用双功能电极材料及其制备方法以及采用所述电极材料作为正极制备得到的锌空气电池。所述锌空气电池为可充式锌空气电池。所述电极材料为一种Co@Co_xS_y(x≥0， y≥0)纳米颗粒负载在碳纤维状多孔材料的复合材料(简称为Co@Co_xS_y/NC)，通过一系列测试与结构性能表征，显示该材料具有较大比表面积、多孔、金属与氮掺杂的基底碳材料之间存在较强的Co-N相互作用，以及Co@Co_xS_y纳米颗粒中 Co与S相互作用，这些结构特征不仅增加材料的表面活性位点数量，同时，金属与基底之间相互作用也有助于改善材料导电性，而且多孔以及金属与N,C,S之间相互作用极大地提高荷质传输。使该电池材料极高地提高能量利用和转换效率及稳定性，展现出优良的放电和充电功能。

本发明采用的技术方案如下：

一种制备Co@Co_xS_y/NC纳米纤维的方法，包括如下步骤：

1)通过静电纺丝法制备聚酰亚胺纳米纤维；

2)对步骤1)的聚酰亚胺纳米纤维进行煅烧处理，制备得到多孔碳纳米纤维，作为前驱体；

3)将步骤2)的前驱体与含钴溶液浸润，原位硫化，制备得到所述 Co@Co_xS_y/NC纳米纤维，其中，x≥0，y≥0。

优选地，所述x和y不同时为0，优选地，y不为0。

根据本发明，在步骤1)中，包括如下步骤：