[发明专利]一种无定形球状三元金属氧化物催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明属于电池技术领域，特指一种无定形球状三元金属氧化物催化剂及制备方法和应用。所述的催化剂是通过控制前驱体溶液中的微量水含量，由溶剂热反应及冷冻干燥方法，以制备得到具有无定形结构的微米球状Mo/Co/Mn三元金属氧化物催化剂(MoCoMn)。将得到的催化剂材料作为正极制备锂‑空气电池，电池具有表现出较高的充/放电容量、良好的倍率性能和稳定的循环性能。

技术领域

本发明属于电池技术领域，特指一种无定形球状三元金属氧化物催化剂及制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车和大型储能系统的发展需求的不断增加，具有高能量密度和长循环寿命的储能电池技术的开发得到了全世界范围内的广泛关注。目前主流的锂离子电池已经应用在了电动汽车、电子设备等众多领域。但锂离子电池仍然存在一定的问题，其能量密度不够高，难以满足像电动汽车长续航里程等要求。因此开发具有更高能量密度的下一代储能电池体系至关重要。

锂-空气电池是一种以金属锂单质作为负极，空气中的氧气作为正极活性物质的一种新型电池体系。锂-空气电池具有理论能量密度高、环境友好等优点，近几年被科研工作者广泛关注研究。由于锂-空气电池的正极活性物质氧气是在空气中源源不断获得的，电池的理论能量密度能够达到达5.21kWh kg^-1(含氧气)或11.14kWh kg^-1(不含氧气)，远高于锂离子电池的理论能量密度(200-250Wh kg^-1)，其性能可与汽油(12.22kWh kg^-1)相媲美，因此锂-空气电池被认为是最具有潜力的下一代储能电池体系。

锂-空气电池在发生放电反应时，锂负极失去电子形成锂离子，通过电解液迁移到正极，电子从外电路迁移到正极。空气中的氧气在正极发生还原反应，与锂离子和电子结合生成过氧化锂，存储在正极的孔隙中。在充电的过程中，放电产物过氧化锂重新分解成锂离子和氧气。从反应原理上来看，锂-空气电池的正极材料承担了还原氧气生成过氧化锂和分解放电产物过氧化锂的作用，前者和后者分别对应了氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)。锂-空气电池的放电比容量和充/放电过电位也是受ORR和OER的动力学电催化活性控制。然而，目前锂-空气电池的实际比容量和能量密度远远低于理论值，这种差异主要是由于电池的正极缓慢的动力学过程导致的。因此，锂-空气电池正极应当使用具有高效ORR和OER催化活性的催化剂材料，以此来提高电池的性能。

发明内容

针对上述锂-空气电池的正极材料存在的技术问题，本发明针对无定形结构和多金属两个方面，开发了一种微量水溶剂热法，制备出了无定形球状Mo/Co/Mn三元金属氧化物催化剂材料，并将此应用到锂-空气电池正极。

无定形氧化物材料是由内部没有有序排列的分子尺寸的团簇构成的，是近年来被研究报道的一种新型电催化剂材料。由于其特殊的无定形结构，催化剂材料的表面能够暴露出更多的缺陷，而这些缺陷可以成为电化学反应的催化活性位点，并且活性位点的分布更加均匀。同时，有研究表明无定形结构具有较好的电化学稳定性，能够在电催化反应过程中保持结构的稳定性。此外，根据文献报道，多金属氧化物催化剂中的各个金属之间的协同效应对催化剂表面电子结构能够进行有效的调控，进一步增强催化剂的活性。

本发明的具体技术方案如下：

1.无定形MoCoMn三元金属氧化物催化剂的制备：